Phân tích và đánh giá hiệu năng hệ thống NG PON2

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
------------------------------------------

NGUYỄN HẢI HÀ

PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG
NG-PON2
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hƣớng ứng dụng)

HÀ NỘI – 2016


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
-----------------------------------------

NGUYỄN HẢI HÀ

PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG
NG-PON2
CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
MÃ SỐ: 60. 52. 02. 08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ HẢI CHÂU

HÀ NỘI - 2016


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Hà Nội, ngày tháng năm 2016
Học viên

Nguyễn Hải Hà


ii

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, em xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới các thầy cô
giáo, những ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, giảng dạy giúp đỡ em trong suốt quá trình
học tập, nghiên cứu và rèn luyện ở trƣờng Học viên Công nghệ Bƣu chính Viễn
thông.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hƣớng dẫn TS. Lê Hải Châu đã tận
tình, chu đáo hƣớng dẫn em thực hiện luận văn này.
Mặc dù đã cố gắng để thực hiện đề tài này một cách hoàn chỉnh nhất, song
do quá trình thực hiện luận văn còn tồn tại những khó khăn nhất định nên không thể
tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong đƣợc sự góp ý của quý Thầy, Cô giáo và các
bạn để bài luận văn đƣợc hoàn chỉnh hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Học viên

Nguyễn Hải Hà


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ..........................................................................................v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... ix
DANH MỤC HÌNH VẼ ..............................................................................................x
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................1
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP QUANG THỤ
ĐỘNG .........................................................................................................................3
1.1. Khái quát về mạng quang thụ động (PON) ......................................................3
1.2. Kiến trúc chung của mạng truy nhập quang thụ động ......................................6
1.3. Các công nghệ truy nhập quang thụ động hiện tại ...........................................7
1.3.1. APON/BPON ..............................................................................................7
1.3.2. GPON .........................................................................................................7
1.3.3. EPON..........................................................................................................9
1.3.4. XG-PON ...................................................................................................11
1.4. Xu hƣớng phát triển của mạng quang thụ động .............................................14
1.5. Kết luận chƣơng ..............................................................................................15
CHƢƠNG II: TWDM-PON - GIẢI PHÁP KỸ THUẬT CHO CÔNG NGHỆ NGPON2 .........................................................................................................................16
2.1. Giới thiệu chung .............................................................................................17
2.2. Công nghệ TWDM-PON cho hệ thống NG-PON2 ........................................19
2.3. Đặc điểm kỹ thuật của công nghệ truy nhập quang thụ động NG-PON2 ......21
2.3.1. Yêu cầu kỹ thuật chung của hệ thống NG-PON2 .....................................21
2.3.2. Yêu cầu dịch vụ.........................................................................................22
2.3.3. Yêu cầu lớp vật lý .....................................................................................23

2.3.4. Yêu cầu hệ thống ......................................................................................30


iv
2.4. Ứng dụng của công nghệ truy nhập quang thụ động NG-PON2 ....................33
2.4.1. Việc triển khai NG-PON2 hiện nay ..........................................................33
2.4.2. Hướng triển khai mạng NG-PON2 trong tương lai .................................34
2.5. Kết luận chƣơng ..............................................................................................35
CHƢƠNG III: PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG NG-PON2 ......................36
3.1. Các yếu tố ảnh hƣởng trong truyền dẫn quang ...............................................36
3.1.1. Suy hao quang ..........................................................................................36
3.1.2. Tán sắc .....................................................................................................38
3.2. Mô hình hóa hệ thống mạng quang NG-PON2 ..............................................40
3.2.1. Các thiết bị quang quan trọng sử dụng trong mạng NG-PON2 ..............40
3.2.2. Mô hình hóa hệ thống NG-PON2 .............................................................46
3.3. Hiệu năng truyền dẫn đơn kênh ......................................................................52
3.3.1. Sự phụ thuộc tỷ lệ lỗi bit BER vào khoảng cách ......................................52
3.3.2. Hiệu năng hệ thống khi sử dụng PIN hoặc APD......................................53
3.3.3. Sự phụ thuộc tỷ lệ lỗi bit BER vào công suất phát ...................................55
3.3.4. Sự phụ thuộc tỷ lệ lỗi bit BER vào tỷ lệ chia.................................................56
3.3.5. Sự phụ thuộc tỷ lệ lỗi bit BER vào độ lợi G của bộ khuếch đại ...............57
3.4. Phân tích xuyên âm liên kênh đƣờng xuống và đƣờng lên ............................58
3.5. Kết luận chƣơng ..............................................................................................63
KẾT LUẬN CHUNG ................................................................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................66
PHỤ LỤC ..................................................................................................................67


v

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Thuật ngữ

Tiếng Anh

Tiếng Việt

ANI

Access Node Interface

Giao diện nút truy nhập

APC

Angled Physical Contact

Liên kết góc lớp vật lý

APON

ATM Passive Optical Network

Mạng quang thụ động ATM

ASE

Amplified Spontaneous Emission

Khuếch đại phát xạ tự phát

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Phƣơng thức truyền tải không
đồng bộ

AWG

Arrayed-Waveguide Grating

Cách tử ống dẫn sóng dạng
mảng

BBU

BaseBand Unit

Đơn vị băng tần gốc

BPON

Broadband Passive Optical

Mạng quang thụ động băng rộng

Network
CD

Chromatic Dispersion

Tán sắc

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CE

Coexistence Element

Phần tử cộng hữu

CPRI

Common Public Radio Interface

Giao diện vô tuyến công cộng

DBA

Dynamic Bandwidth Allocation

Phân bổ băng thông động

DCB

Data Center Bridging

Kết nối với trung tâm dữ liệu

DEMUX

Demultiplexer

Bộ tách kênh

eNodeB

Evolved Node Base station

Trạm gốc của LTE

EPON

Ethernet Passive Optical Network

Mạng quang thụ động Ethernet

FTTx

Fibre to the x (B–building,

Cáp quang đến X (B-toà nhà,

business; H–home; C–cabinet,

doanh nghiệp, H-hộ gia đình, C-

curb)

tủ cáp)

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh

FSAN

Full Service Access Network

Nhóm mạng truy nhập đầy đủ

Group

dịch vụ

Gigabit per second

Tốc độ Gigabit trên giây

Gbps


vi

Thuật ngữ

Tiếng Anh

Tiếng Việt

G-PON

Gigabit-capable Passive Optical

Mạng quang thụ động Gigabit

Network
GVD

Group Velocity Dispersion

Tán sắc vận tốc nhóm

ITU

International Telecommunication

Liên minh Viễn thông quốc tế

Union
LAN

Local Area Network

Mạng nội bộ

LTE

Long Term Evolution

Tiến hóa dài hạn

MAN

Metropolitan Area Network

Mạng đô thị

MDU/SFU

Multi-Dwelling Unit/Single-

Nhiều hộ gia đình/Ngƣời dùng

Family Unit

cá nhân

Media Access Control

Phƣơng thức điều khiển truy

MAC

nhập
Mbps

Megabit per second

Tốc độ Megabit trên giây

MUX

Multiplexer

Bộ ghép kênh

NG-PON1

Next Generation-Passive Optical

Mạng quang thụ động thế hệ kế

Network 1

tiếp thứ nhất

Next Generation- Passive Optical

Mạng quang thụ động thế hệ kế

Network 2

tiếp thứ hai

Next Generation- Passive Optical

Mạng quang thụ động thế hệ kế

Network 3

tiếp thứ ba

ODN

Optical Distribution Network

Mạng phân phối quang

ODS

Optical Distribution Segment

Đoạn phân phối quang

ODSM

Opportunistic and Dynamic

Quản lí phổ linh hoạt

NG-PON2
NG-PON3

Spectrum Management
Orthogonal Frequency-Division

Ghép kênh phân chia theo tần số

Multiplexing

trực giao

OLT

Optical Line Terminal

Bộ kết cuối đƣờng quang

OMCC

Optical Management and Control

Kênh điều khiển và quản lý

Channel

quang

Optical Management and Control

Giao diện quản lý và điều khiển

OFDM

OMCI


vii
Thuật ngữ

Tiếng Anh

Tiếng Việt

Interface

quang

OPL

Opical Path Loss

Suy hao đƣờng truyền quang

OPP

Opical Path Penalty

Bù công suất tuyến quang quang

ONT

Optical Network Terminal

Đầu cuối mạng quang

ONU

Optical Network Unit

Đơn vị mạng quang

P2P

Point to Point

Kết nối điểm – điểm

P2M

Point to Multipoint

Kết nối điểm – đa điểm

PON

Passive Optical Network

Mạng quang thụ động

PB

Power Budget

Quỹ công suất

PMD

Polarization Mode Dispersion

Tán sắc mode phân cực

PtP WDM

Point-to-Point Wavelength

Ghép kênh theo bƣớc sóng

Division Multiplexing

điểm-điểm

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên độ cầu phƣơng

QoS

Quality of Service

Chất lƣợng dịch vụ

RE

Reach Extender

Bộ kéo dài tầm với

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

RN

Remote Node

Node từ xa

RRU

Remote Radio Unit

Đơn vị vô tuyến từ xa

R/S

Reach extender interface to optical

Giao diện mở rộng tầm với vào

trunk line

mạng trung kế quang

SMF

Single Mode Fibre

Sợi quang đơn mode

SONET/SD

Synchronous Optical

Mạng quang đồng bộ/Phân cấp

H

Network/Synchronous Digital

số đồng bộ

Hierachy
Reach extender interface to optical

Đƣờng truy cập mở rộng vào

distribution network

mạng phân phối quang

TC

Transmission Convergence

Lớp hội tụ truyền dẫn

TDM

Time Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo thời

S/R

gian


viii
Thuật ngữ

Tiếng Anh

Tiếng Việt

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia thời gian

TWDM

Time and Wavelength Division

Ghép kênh theo thời gian và

Multiplexing

bƣớc sóng

Ultra Dense Wavelength Division

Ghép chặt theo bƣớc sóng

UD-WDM

Multiplexing
UNI

User Node Interface

Giao diện nút ngƣời dùng

UPC

Ultra Physical Contact

Mối nối vật lý ở góc

WAN

Wide Area Network

Mạng diện rộng

WBF

Wavelength Blocking Filter

Bộ lọc chặn bƣớc sóng

WDM

Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bƣớc sóng

WDMA

Wavelength-Division Multiple

Đa truy nhập phân chia theo

Access

bƣớc sóng

WM

Wavelength Multiplexer

Bộ ghép kênh bƣớc sóng

XG-PON1

10-Gigabit Passive Optical

Mạng quang thụ động 10 Gbps

Network


ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Các thông số khác nhau cho giao diện của OLT và ONU trong mạng NGPON2 [11] .................................................................................................................24
Bảng 2.2: Thông số giao diện quang của đƣờng xuống 2,48832 Gbit/s [12] ...........27
Bảng 2.3: Thông số giao diện quang của đƣờng xuống 9,95328 Gbit/s [12] ...........28
Bảng 2.4: Thông số giao diện quang của đƣờng lên 2,48832 Gbit/s [12] ................29
Bảng 2.5: Thông số giao diện quang của đƣờng lên 9,95328 Gbit/s [12] ................29
Bảng 3.1: Các thông số để tính Cc và Pc ...................................................................61
Bảng 3.2: Tính toán xuyên âm liên kênh và bù công suất trong trƣờng hợp xấu nhất
...................................................................................................................................63


x

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô hình mạng quang thụ động ...................................................................6
Hình 1.2: Mạng truy nhập quang thụ động GPON .....................................................8

Hình 1.3: Mô hình mạng truy cập EPON..................................................................10
Hình 1.4: Lƣu lƣợng hƣớng xuống trong EPON ......................................................10
Hình 1.5: Lƣu lƣợng hƣớng lên trong EPON ...........................................................11
Hình 1.6: Các giai đoạn phát triển của thế hệ PON kế tiếp ......................................12
Hình 1.7: XG-PON1 cộng hữu cùng công nghệ GPON ...........................................13
Hình 2.1: Kiến trúc mạng TWDM-PON ...................................................................19
Hình 2.2: Kế hoạch bƣớc sóng của NG-PON2 .........................................................25
Hình 2.3: Suy hao sợi quang đơn mode và tán sắc ...................................................26
Hình 3.1: Tán sắc ống dẫn sóng ................................................................................39
Hình 3.2: Mô hình hệ thống NG-PON2 ....................................................................41
Hình 3.3: Bộ Mach-Zender .......................................................................................45
Hình 3.4: Sự phụ thuộc tỷ lệ lỗi bit BER vào công suất phát khi khoảng cách thay
đổi ..............................................................................................................................53
Hình 3.5: Hiệu năng hệ thống khi sử dụng PIN hoặc APD ......................................54
Hình 3.6: Sự phụ thuộc tỷ lệ lỗi bit BER vào khoảng cách khi công suất phát thay
đổi ..............................................................................................................................55
Hình 3.7: Sự phụ thuộc tỷ lệ lỗi bit BER vào công suất phát khi thay đổi tỷ lệ chia
...................................................................................................................................56
Hình 3.8: Sự phụ thuộc tỷ lệ lỗi bit BER vào độ lợi G khi thay đổi công suất phát .57
Hình 3.9: Trƣờng hợp xảy ra xuyên âm liên kênh ....................................................58
Hình 3.10: Mô hình TWDM-PON tham khảo sử dụng cho tính toán xuyên âm liên
kênh [12] ...................................................................................................................59
Hình 3.11: Phổ công suất tín hiệu tại S/R-CG (hình trái) và R/S (hình phải) ..........60
Hình 3.12: Ví dụ bộ tách kênh thực tế ......................................................................60


xi
Hình 3.13: Bù công suất do xuyên âm liên kênh với hệ thống 4 kênh và 8 kênh .....63

1

LỜI NÓI ĐẦU
Công nghệ truy nhập quang thụ động (PON) đang dần chiếm ƣu thế so với
các công nghệ truy nhập khác và đóng vai trò nền tảng trong việc phân phối các
dịch vụ băng thông cao và siêu cao đến nhiều tầng lớp ngƣời dùng nhờ sự hiệu quả
về chi phí đầu tƣ ban đầu cũng nhƣ chi phí vận hành bảo dƣỡng. Hiện tại, công
nghệ truy nhập quang thụ động Gigabit nhƣ G-PON, E-PON,.. đang đƣợc triển khai
rộng khắp ở nhiều quốc gia trên thế giới và là công nghệ truy nhập nhanh nhất hiện
có trên thị trƣờng. Tuy nhiên, trong tƣơng lai, sự phát triển mạnh mẽ về nhu cầu
băng thông của các dịch vụ truyền thông hƣớng video cùng với nhu cầu ngày càng
tăng với các ứng dụng backhaul di động và thƣơng mại có thể tạo ra nút cổ chai
trong các mạng truy nhập quang thụ động tốc độ Gigabit hiện tại. Do vậy, các nhà
cung cấp thiết bị và khai thác viễn thông cùng các tổ chức chuẩn hóa đang tích cực
hợp tác để phát triển một thế hệ công nghệ truy nhập quang thụ động mới gọi là
mạng truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp thứ hai (NG-PON2). Dự án nghiên
cứu phát triển công nghệ NG-PON2 đƣợc cộng đồng FSAN và ITU-T bắt đầu tiến
hành từ năm 2011. Mạng truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp thứ hai NG-PON2
đƣợc đề xuất và chuẩn hóa với tốc độ 40 Gbps và có khả năng khai thác triệt để các
ƣu điểm vƣợt trội của sợi quang nhƣ dung lƣợng lớn và suy hao truyền dẫn thấp
cũng nhƣ các ƣu điểm vốn có của kiến trúc truy nhập quang thụ động để làm giảm
chi phí cho các nhà khai thác mạng và cung cấp các giá trị tốt hơn cho ngƣời dùng
cũng nhƣ đáp ứng yêu cầu hiệu quả về giá thành trong việc nâng cấp.
Chính vì điều đó, việc nghiên cứu NG-PON2 rất quan trọng, nhằm đáp ứng
xu thế của ngƣời sử dụng, cũng nhƣ xu hƣớng phát triển của các công ty cung cấp
thiết bị và khai thác dịch vụ viễn thông. Với đề tài ”Phân tích và đánh giá hiệu năng
hệ thống NG-PON2”, luận văn đƣợc chia thành ba phần nhƣ sau:
Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan về công nghệ truy nhập quang thụ động và
xu hƣớng phát triển của mạng quang thụ động.
Chƣơng 2: Nghiên cứu TWDM-PON với tƣ cách là giải pháp kĩ thuật cho

công nghệ NG-PON2, các yêu cầu kĩ thuật và ứng dụng của mạng NG-PON2.


2
Chƣơng 3: Đánh giá hiệu năng của mạng NG-PON2 trong đó tập trung vào
hiệu năng truyền dẫn đơn kênh và phân tích xuyên âm liên kênh đƣờng xuống và
đƣờng lên.


3

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP
QUANG THỤ ĐỘNG
Chương I giới thiệu tổng quan về mạng truy nhập quang thụ động, với nhiều ưu
điểm so với các công nghệ truy nhập khác: không cần nguồn điện cung cấp nên
không bị ảnh hưởng bởi lỗi nguồn, có độ tin cậy cao và không cần phải bảo dưỡng
do tín hiệu không bị suy hao nhiều như đối với các phần tử tích cực. Mạng truy
nhập quang thụ động, ngoài việc giải quyết các vấn đề về băng thông, còn có ưu
điểm là chi phí lắp đặt thấp do tận dụng được hệ thống phân phối sợi quang trong
mạng đã có từ trước. Đồng thời, Chương I cũng trình bày các công nghệ truy nhập
quang hiện tại APON/BPON, GPON, EPON, XG-PON bao gồm: kiến trúc mạng,
đặc điểm công nghệ,... bên cạnh đó là xu hướng phát triển của mạng quang thụ
động trong tương lai.

1.1. Khái quát về mạng quang thụ động (PON)
Mạng viễn thông thƣờng đƣợc cấu thành bởi ba mạng chính: mạng đƣờng
trục, mạng phía khách hàng và mạng truy nhập. Trong những năm gần đây, mạng
đƣờng trục có những bƣớc phát triển nhảy vọt do sự xuất hiện của các công nghệ
mới, điển hình nhƣ công nghệ ghép kênh theo bƣớc sóng. Cũng trong khoảng thời
gian này, mạng nội hạt cũng đã đƣợc cải tiến và nâng cấp từ tốc độ 10 Mbps lên 100

Mbps, và đến 1 Gbps. Thậm chí, các sản phẩm Ethernet 10 Gbps cũng đã bắt đầu
xuất hiện trên thị trƣờng. Điều này đã dẫn đến một sự chênh lệch rất lớn về băng
thông giữa một bên là mạng LAN tốc độ cao và mạng đƣờng trục và một bên là
mạng truy nhập tốc độ thấp, mà chúng ta vẫn thƣờng gọi đó là 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 nhập tốc độ thấp. Các
báo cáo thống kê cho thấy lƣu lƣợng dữ liệu đã tăng 100% mỗi năm kể từ năm


4
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. 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 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. Nếu trƣớc kia, các công ty viễn thông tập trung đầu
tƣ triển khai vào công nghệ truy cập mạng quang tích cực do khi đó thuê bao cáp
quang còn ít, nên việc đầu tƣ vào công nghệ này và chi phí bình quân trên một thuê
bao là nhỏ, thì ngày nay, với sự bùng nổ về công nghệ thông tin, yêu cầu dịch vụ từ
các khách hàng ngày càng lớn, sự phát triển của các thiết bị di động thông minh đòi
hỏi phải có một lƣợng băng thông lớn để đáp ứng các yêu cầu của khách hàng.
Chính vì điều đó mà đòi hỏi phải có nhiều sự phát triển hơn nữa về các công nghệ
mạng truy nhập. Một trong những bƣớc phát triển đó là sự ra đời của công nghệ truy
cập 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” [3]. 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. PON là một
hình thức truy cập mạng cáp quang, kiểu mạng kết nối P2M, các sợi quang làm cơ

sở tạo kiến trúc mạng. Mỗi khách hàng đƣợc kết nối tới mạng quang thông qua một
bộ chia quang thụ động và không cần nguồn cấp, vì vậy không có các thiết bị điện
chủ động trong mạng phân chia và băng thông đƣợc chia sẻ từ nhánh đến ngƣời
dùng, cho phép một sợi quang đơn phục vụ nhiều nhánh cơ sở, thƣờng là từ 16-128.
PON bao gồm một thiết bị kết cuối đƣờng quang (OLT) ở phía nhà cung cấp dịch
vụ và các thiết bị mạng quang (ONU) gần ngƣời dùng cuối. Công nghệ PON làm
giảm yêu cầu số lƣợng dây dẫn và thiết bị tại văn phòng trung tâm so với các kiến
trúc điểm - điểm. Tín hiệu đƣờng xuống (downlink) đƣợc quảng bá đến tất cả các
nhánh sợi cơ sở. Tín hiệu downlink đƣợc tới các hộ gia đình, tín hiệu này đƣợc mã


5
hóa để có thể ngăn ngừa bị "câu móc" trộm. Tín hiệu uplink đƣợc kết hợp bằng việc
sử dụng giao thức đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA). OLT sẽ điều
khiển các ONU sử dụng các khe thời gian cho việc truyền dữ liệu đƣờng lên [4].
Những 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, còn có ƣu điểm là
chi phí lắp đặt thấp do tận dụng đƣợc hệ thống phân phối 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 Mbps) ở đƣờng
xuống và truy nhập theo luồng OC-3 (155 Mbps) ở đƣờng lên [1] [6]. 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.
Mạng quang thụ động đƣợc xây dựng nhằm giảm số lƣợng các thiết bị thu,
phát và sợi quang trong mạng thông tin FTTH. PON là một mạng điểm tới đa điểm,

một kiến trúc PON bao gồm một thiết bị đầu cuối kênh quang đƣợc đặt tại trạm
trung tâm của nhà khai thác dịch vụ và các bộ kết cuối mạng cáp quang ONU/ONT
đặt tại gần hoặc tại nhà thuê bao. Giữa chúng là hệ thống mạng phân phối quang
ODN bao gồm cáp quang, các thiết bị tách ghép thụ động. PON hỗ trợ giao thức
ATM, Ethernet, PON hỗ trợ các dịch vụ thoại, dữ liệu và hình ảnh với tốc độ cao và
khả năng cung cấp băng thông rộng. PON còn có khả năng chống lỗi cao (cao hơn
SONET/SDH). 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 nhập,
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


6
giải pháp hàng đầu cho mạng truy nhập. 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.

1.2. Kiến trúc chung của mạng truy nhập quang thụ động
Các phần tử thụ động của PON đều nằm trong mạng phân phối 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 PON. PON thƣờng đƣợc triển khai trên sợi quang đơn mode, với
cấu hình cây là phổ biến. Mô hình mạng quang thụ động với các phần tử của nó
đƣợc biểu diễn nhƣ trong hình 1.1.

Hình 1.1: Mô hình mạng quang thụ động


7
Bằng cách sử dụng bộ chia quang 1:N ta có thể triển khai theo bất kỳ cấu
hình nào trong những cấu hình trên. OLT đƣợc kết nối với mạng lõi MAN hay
WAN và kết nối đến ngƣời dùng qua bộ chia quang và đến thiết bị đầu cuối khách
hàng ONT.

1.3. Các công nghệ truy nhập quang thụ động hiện tại
1.3.1. APON/BPON
Mạng APON/BPON đƣợc phát triển từ những năm 90, và không đƣợc quan
tâm phát triển ở thời điểm đó do chỉ hỗ trợ dịch vụ ATM và tốc độ truy nhập thấp
hơn nhiều so với các công nghệ nhƣ GPON và EPON.
Cấu trúc khung truyền dẫn cho APON:
- Đƣờng xuống: Ở đƣờng xuống, APON sử dụng công nghệ ghép kênh theo
thời gian.
- Đƣờng lên: Ở đƣờng lên, APON sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia
theo thời gian.
BPON là chuẩn trên nền APON. Đƣợc bổ sung để hỗ trợ cho WDM ghép
kênh phân chia theo bƣớc sóng, cấp phát băng thông đƣờng lên động và lớn hơn.
Đồng thời tạo ra các giao diện quản lý chuẩn giữa OLT và ONU/ONT. Hệ thống
BPON hỗ trợ tốc độ không đối xứng 155 Mbps hƣớng lên và 622 Mbps hƣớng
xuống hoặc tốc độ đối xứng 622 Mbps [13]. Các hệ thống BPON đã đƣợc sử dụng
nhiều ở nhiều nơi, tập trung ở Bắc Mỹ, Nhật Bản và một phần Châu Âu.

1.3.2. GPON
Có một hạn chế trong cấu trúc của BPON là khó có thể nâng cấp lên tốc độ
cao hơn 622 Mbps và mạng PON trên cở sở nền ATM không tối ƣu đối với lƣu
lƣợng IP, nhóm FSAN phát triển một hệ thống mạng PON mới từ năm 2001 với tốc

độ 1 Gbps hỗ trợ cả lƣu lƣợng ATM và IP. Dựa trên các khuyến nghị của FSAN, từ
năm 2003-2004, ITU-T đã chuẩn hóa một loạt các tiêu chuẩn cho mạng GPON.
GPON đƣợc mở rộng từ chuẩn BPON G.983 bằng cách tăng băng thông,
nâng hiệu suất nhờ sử dụng gói lớn, có độ dài thay đổi và tiêu chuẩn hóa quản lý.
Thêm nữa, chuẩn cho phép vài sự lựa chọn của tốc độ bit: cho phép băng thông


8
đƣờng xuống là 2,488 Mbps và băng thông đƣờng lên là 1,244 Mbps [5]. Phƣơng
thức đóng gói GPON-GEM cho phép đóng gói lƣu lƣợng ngƣời dùng rất hiệu quả,
với sự phân đoạn khung cho phép chất lƣợng dịch vụ QoS cao hơn phục vụ lƣu
lƣợng nhạy cảm nhƣ truyền thoại và video.

Hình 1.2: Mạng truy nhập quang thụ động GPON

GPON hoạt động ở tốc độ lên tới hàng Gbps. GPON không phụ thuộc vào
ATM, GPON sử dụng lớp con truyền dẫn hội tụ GTC. GPON hỗ trợ tốc độ cao hơn,
tăng cƣờng bảo mật và cho phép lựa chọn giao thức lớp 2 (ATM, Ethernet, tuy
nhiên trên thực tế ATM chƣa từng đƣợc sử dụng). Điều đó cho phép GPON phân
phối thêm các dịch vụ tới nhiều thuê bao. GPON cung cấp độ rộng băng lớn và là
công nghệ tối ƣu cho các ứng dụng của FTTH và FTTB.
Các thông số mạng GPON [7] :
- Tốc độ dữ liệu: 1,244/2,488 Gbps hƣớng xuống và 0,155/0,622/1,244/
2,488 Gbps hƣớng lên.
- Bƣớc sóng: 1260 – 1360 nm đƣờng lên; 1480 – 1500 nm đƣờng xuống.
- Đa truy nhập hƣớng lên: TDMA.
- Cấp phát băng thông động.
- Loại lƣu lƣợng: Dữ liệu số.

9
- Dịch vụ: Hỗ trợ đầy đủ các dịch vụ hiện có (Ethernet, TDM,…).
- Tỷ lệ chia của bộ chia thụ động: Tối đa 1:128.
- Giá trị tỷ lệ bit lỗi BER lớn nhất: 10-12.
- Phạm vi công suất sử dụng luồng xuống: -3 đến +2 dBm (10 Km ODN)
hoặc +2 đến +7 dBm (20 Km ODN).
- Phạm vi công suất sử dụng luồng lên: -1 đến +4 dBm (10 Km và 20 Km
ODN).
- Loại cáp: Tiêu chuẩn ITU-T Rec. G.652.
- Suy hao tối đa giữa các ONU: 15 dB.
- Cự ly cáp tối đa: 20 Km với laser DFB luồng lên, 10 Km với Fabry-Perot.
Khả năng cung cấp băng thông :
 Hướng xuống
Tốc độ hƣớng xuống GPON = 2,488 Mbps × hiệu suất 92% = 2289 Mbps.
Trong ứng dụng nhiều nhóm ngƣời sử dụng, với tỷ lệ chia là 1:32, GPON có
thể cung cấp dịch vụ cơ bản bao gồm truy cập Internet tốc độ cao (100 Mbps trên
mỗi thuê bao với tỷ lệ dùng chung 20:1) và Voice (tốc độ 100 Kbit/giây) đến 32
ONU, mỗi ONU cung cấp cho 8 thuê bao.
 Hướng lên
Tiêu chuẩn này ngoài việc đƣa ra bộ các yêu cầu về hệ thống mạng còn đƣa
ra bộ các yêu cầu QoS riêng cho lớp PON vƣợt ra ngoài các phƣơng thức Ethernet
lớp 2 và phân loại dịch vụ IP lớp 3 để đảm bảo việc phân phối các dịch vụ thoại,
video và TDM chất lƣợng cao qua môi trƣờng chia sẻ trên nền TDMA.

1.3.3. EPON
EPON là mạng trên cở sở PON mang lƣu lƣợng dữ liệu gói trong các khung
Ethernet đƣợc chuẩn hóa theo IEEE 802.3, hoạt động với tốc độ 1 Gbps.


10

Hình 1.3: Mô hình mạng truy cập EPON

Ở hƣớng xuống, EPON hoạt động nhƣ một mạng quảng bá. Khung Ethernet
đƣợc truyền bởi OLT qua bộ chia quang thụ động đến từng ONU (với N trong
khoảng từ 4 đến 64). ONU sẽ lọc bỏ các gói tin không phải là của nó nhờ vào địa
chỉ MAC trƣớc khi truyền các gói tin còn lại đến ngƣời dùng.

Hình 1.4: Lƣu lƣợng hƣớng xuống trong EPON

Ở hƣớng lên, vì đặc tính định hƣớng của bộ kết hợp quang thụ động, khung
dữ liệu từ bất kỳ ONU nào chỉ đến OLT và không đến các ONU khác. Trong trƣờng
hợp đó, ở hƣớng lên, đặc tính của EPON giống nhƣ kiến trúc điểm - điểm. Tuy
nhiên, không giống nhƣ mạng điểm - điểm thật sự, các khung dữ liệu trong EPON
từ các ONU khác nhau đƣợc truyền đồng thời vẫn có thể bị xung đột. Vì vậy, ở
hƣớng lên (từ ngƣời dùng đến mạng), ONU cần sử dụng một vài cơ chế tránh xung


11
đột dữ liệu và chia sẽ dung lƣợng kênh quang hợp lý. Ở đây, luồng dữ liệu hƣớng
lên đƣợc phân bố theo thời gian.

Hình 1.5: Lƣu lƣợng hƣớng lên trong EPON

EPON cung cấp kênh liên kết cho bất kì loại truyền thông dựa trên nền IP
hay truyền thông gói. Hơn nữa, dựa vào sự tiến bộ liên tục trong tốc độ truyền dẫn
dựa trên Ethernet, tốc độ dịch vụ EPON cho khách hàng có thể lên tới 1 Gbps.
Hệ thống EPON cung cấp băng thông trung bình là 31,25 Mbps trên mỗi
ONU ở cả hƣớng xuống và lên, trong khi GPON với tốc độ truyền 2488 Mbps đối
xứng ở hƣớng xuống và lên thì băng thông cấp cho mỗi ONU là 77,75 Mbps. Điều

này làm cho GPON hiệu quả hơn so với EPON.

1.3.4. XG-PON
Theo quan điểm của FSAN và ITU-T, thế hệ tiếp theo PON đƣợc chia thành
hai giai đoạn: NG-PON1 và NG-PON2. Giai đoạn nâng cấp trong thời kỳ đầu của
mạng PON đƣợc định nghĩa là NG-PON1, trong khi NG-PON2 là một giải pháp lâu
dài cho thế hệ PON kế tiếp. Yêu cầu chính của NG-PON1 là sự cùng tồn tại với các
hệ thống GPON triển khai và tái sử dụng thiết lập bên ngoài. Mạng phân phối quang
(ODN) chiếm 70% tổng vốn đầu tƣ trong việc triển khai PON. Vì vậy, mạng phân
phối quang rất quan trọng cho sự phát triển NG-PON để tƣơng thích với các mạng
đã triển khai. Với đặc điểm kỹ thuật cùng tồn tại và tái sử dụng ODN, thì việc
chuyển tiếp từ GPON sang NG-PON1 là sự phát triển của các dây chuyền công
nghiệp. Trong khi đó, công nghệ NG-PON2 phải làm tốt hơn công nghệ NG-PON1


12
về tính tƣơng thích ODN, băng thông, năng lực và hiệu quả chi phí. Sự lựa chọn của
NG-PON1 trong FSAN là sự cân bằng giữa công nghệ và giá thành. Các nhà mạng
yêu cầu về hệ thống NG-PON1 có hiệu suất cao hơn, khoảng cách xa hơn, băng tần
rộng hơn, và nhiều ngƣời dùng hơn. Các nhà mạng cũng yêu cầu NG-PON1 nên sử
dụng ODN GPON hiện nay để kiểm soát giá thành. Ngoài ra, với xu thế dịch vụ thì
yêu cầu băng thông đƣờng xuống sẽ phải nhanh hơn yêu cầu băng thông đƣờng lên.
Vì vậy FSAN quyết định xác định NG-PON1 là 1 hệ thống 10G không đối xứng với
tốc độ 10 Gbps cho đƣờng xuống và 2,5 Gbps cho đƣờng lên vàđƣợc gọi là XGPON1, còn hệ thống với tốc độ đối xứng 10 Gbps đƣợc gọi là XG-PON2 [8]. Có thể
thấy, băng thông đƣờng xuống của XG-PON1 gấp 4 lần của GPON, băng thông
đƣờng lên gấp 2 lần của GPON. Ta có thể thấy các giai đoạn phát triển của thế hệ
PON kế tiếp trong hình 1.6.

Hình 1.6: Các giai đoạn phát triển của thế hệ PON kế tiếp

Hệ thống NG-PON1 đƣợc chọn về bản chất là TDM PON nâng cao từ
GPON. XG-PON1 thừa hƣởng khung và cơ chế quản lý từ GPON. XG-PON1 cung
cấp các hoạt động dịch vụ đầy đủ thông qua tốc độ cao và phân chia lớn hơn để hỗ