Kết hợp công nghệ Wdmpon và Fso trong mạng truy nhập quang (LV thạc sĩ)

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

TRẦN DUY DŨNG

KẾT HỢP CÔNG NGHỆ WDM-PON VÀ FSO TRONG
MẠNG TRUY NHẬP QUANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI – 2017


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

TRẦN DUY DŨNG

KẾT HỢP CÔNG NGHỆ WDM-PON VÀ FSO TRONG
MẠNG TRUY NHẬP QUANG
Chuyên ngành:

Kỹ thuật viễn thông

Mã số:

60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. ĐẶNG THẾ NGỌC

HÀ NỘI - 2017



i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin 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. Các kế thừa của các tác giả khác đã đƣợc trích dẫn.
Tác giả

Trần Duy Dũng


ii

LỜI CẢM ƠN
Để có thể hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh
sự nỗ lực cố gắng của bản thân còn có sự hƣớng dẫn nhiệt tình của các Thầy, Cô, sự
giúp đỡ của bạn bè trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và thực hiện luận văn
thạc sĩ.
Đặc biệt, em xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến PGS. TS. ĐẶNG THẾ NGỌC,
Thầy đã trực tiếp hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình, chu đáo và có những nhận xét, góp ý
quý báu giúp em trong suốt quá trình thực hiện cho đến khi luận văn đƣợc hoàn
thành.
Em xin gửi làm cảm ơn đến tất cả Thầy, Cô giáo Học viện Công nghệ Bƣu

chính Viễn thông đã tận tình chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em đƣợc
nghiên cứu và học tập trong thời gian qua.

Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2017
Học viên

Trần Duy Dũng


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................v
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... ix
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................... ix
CHƢƠNG 1: MẠNG TRUY NHẬP QUANG THỤ ĐỘNG WDM (WDM-PON) ..........3
1.1 Mạng truy nhập quang thụ động (PON) ............................................................3
1.1.1 Tổng quan về PON ......................................................................................3
1.1.2 Thành phần cơ bản mạng quang thụ động ..................................................4
1.1.3 Các cấu hình mạng PON ...........................................................................10
1.1.4 Các chuẩn trong mạng PON ......................................................................11
1.2 Kiến trúc và giải pháp WDM-PON .................................................................12
1.2.1 Tổng quan về WDM ..................................................................................12
1.2.3 Các kiến trúc WDM-PON .........................................................................15
1.3 Ƣu nhƣợc điểm của WDM-PON .....................................................................23
1.3.1 Ƣu điểm .....................................................................................................23
1.3.2 Nhƣợc điểm ...............................................................................................24
1.3.3 Hƣớng phát triển của WDM-PON ............................................................24

1.4 Các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu năng của WDM-PON ...................................24
1.4.1 Suy hao và quỹ công suất ..........................................................................24
1.4.2 Tán sắc .......................................................................................................24
1.4.3 Nhiễu xuyên kênh ......................................................................................25
1.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1.......................................................................................33
CHƢƠNG 2: CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY FSO....34
2.1 Giới thiệu về FSO ............................................................................................34
2.1.1 Khái niệm FSO ..........................................................................................34
2.1.2 Các kỹ thuật trong FSO .............................................................................35


iv

2.2 Kiến trúc FSO ..................................................................................................36
2.2.1 Bộ phát ......................................................................................................37
2.2.2 Bộ thu ........................................................................................................40
2.2.3 Kênh truyền vô tuyến ................................................................................41
2.3 Các đặc điểm của hệ thống FSO ......................................................................42
2.3.1 Các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu năng của hệ thống FSO ..........................42
2.3.2 Suy hao trong hệ thống FSO .....................................................................44
2.4 Ứng dụng của FSO ..........................................................................................51
2.4.1 Kết nối truy cập tốc độ cao khi mở rộng mạng với chi phí thấp ...............51
2.4.2 FSO trong GSM và 3G ..............................................................................52
2.4.3 FSO và an ninh mạng ................................................................................53
2.5 Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................54
CHƢƠNG 3: MẠNG TRUY CẬP QUANG KẾT HỢP WDM-PON/FSO .............55
3.1 Mô tả hệ thống .................................................................................................55
3.2 Kiến trúc của hệ thống .....................................................................................57
3.3 Phân tích mô hình kênh nhiễu loạn tán sắc FSO .............................................59
3.3.1 Mô hình kênh tán sắc khí quyển................................................................59

3.3.2 Mô hình kênh nhiễu loạn khí quyển ..........................................................61
3.4 Tỉ lệ lỗi bit BER ...............................................................................................62
3.4.1 Phân tích đƣờng xuống ..............................................................................64
3.4.2 Phân tích đƣờng lên ...................................................................................65
3.5 Kết quả tính toán ..............................................................................................65
3.5.1 Truyền dẫn đƣờng xuống ..........................................................................66
3.5.2 Truyền dẫn đƣờng lên ...............................................................................70
3.6 Kết luận chƣơng 3 ............................................................................................73
KẾT LUẬN ...............................................................................................................74
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................75


v

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AM

Amplitude Modulation

Điều chế biên độ

AON

Active Optical Network

Mạng quang tích cực

APD

Avalanche Photodiode

Đi-ốt quang thác

ASE

Amplified Spontaneous Emission

Nhiễu phát xạ tự phát đƣợc
khuếch đại

ASK

Amplitude Shift Keying

Khóa dịch biên độ

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Phƣơng thức truyền dị bộ

AWG

Array Wavelength Guide

Cách tử mảng ống dẫn sóng

AWGN

Addition White Gaussian Noise

Nhiễu Gauss trắng cộng

AWGN

Amplify and Forward

Khuếch đại và chuyển tiếp

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ lỗi bit

BPON

Broadband PON

PON băng rộng

BPPM

Binary Pulse Position Modulation

Điều chế vị trí xung nhị phân

CDMA

Code Division Multiplexing Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CO

Central Office

Trạm trung tâm

CPON

Composite PON

PON hỗn hợp

CW

Continuous Wave

Sóng liên tục

DEMUX Demultiplexer

Bộ tách kênh

DFB

Distributed Feedback

Phản hồi phân bố

DWDM

Dense Wave Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo bƣớc
sóng với mật độ cao

EDFA

Erbium-Doped Fiber Amplifier

Khuếch đại quang pha tạp Erbium

EPON

Ethernet PON

PON sử dụng Ethernet

FM

Frequency Modulation

Điều chế tần số

FSK

Frequency Shift Keying

Khóa dịch tần số

FSO

Free Space Optics

Truyền thông quang không dây

FSR

Free Spectrum Range

Dải phổ tự do

FWM

Four Wave Mixing

Trộn bốn bƣớc sóng

LARNet

Local Access Routing Network

Mạng định tuyến truy nhập nội
vùng

vi

LASER

Light Amplification by Stimulated Khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ
Emission of Radiation
kích thích

LED

Light Emitting Diode

Đi-ốt phát quang

MAN

Metropolitan Area Network

Mạng đô thị

MPPM

Multi-pulse Pulse Position Modulation

Điều chế vị trí xung đa xung

MUX

Multiplexer

Bộ ghép kênh

MZI

Mach–Zehnder Interferometer

Giao thoa kế Mach–Zehnder

OADM

Optical Add-Drop Multiplexer

Bộ ghép kênh xen/rẽ quang

OAF

Amplify and Forward

ODN

Optical Distribution Network

Mạng phân phối quang

OLT

Optical Line Terminal

Đầu cuối đƣờng quang

ONT

Optical Network Terminal

Đầu cuối mạng quang

ONU

Optical Network Unit

Đơn vị mạng quang

PM

Polarazation Mode

Mode phân cực

PON

Passive Optical Network

Mạng quang thụ động

PPM

Pulse Position Modulation

Điều chế vị trí xung

PSK

Phase Shift Keying

Khóa dịch pha

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Điều chế pha trực giao

RN

Remote node

Nút đầu xa

SNR

Signal-to-Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

TDM

Time Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo thời
gian

TDMA

Time Division Multiple Access

WDM

Wavelength Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo bƣớc
sóng

XPM

Cross phase modulation

Điều chế pha chéo

SBS

Stimulated Brillouin Scaterring

Tán xạ Brillouin kích thích

Kỹ thuật khuyếch đại và chuyển
tiếp quang

Đa truy nhập phân chia theo thời
gian

vii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô hình mạng quang thụ động ...................................................................4
Hình 1.2: Cấu trúc của cáp quang ..............................................................................5
Hình 1.3: Cấu hình cơ bản của các loại Coupler.........................................................5
Hình 1.4: Cấu trúc cơ bản của cách tử mảng ống dẫn sóng ........................................6
Hình 1.5: Bộ ghép kênh AWG ....................................................................................6
Hình 1.6: Các khối chức năng trong OLT...................................................................8
Hình 1.7: Các khối chức năng trong ONU .................................................................9
Hình 1.8a: Cấu hình cây sử dụng bộ chia 1:N ..........................................................10
Hình 1.8b: Cấu hình bus sử dụng tap coupler 1:2 .....................................................11
Hình 1.8c: Cấu hình dạng vòng sử dụng tap coupler 2x2 .........................................11
Hình 1.8d: Cấu hình dạng cây dự phòng sử dụng bộ chia 2:N .................................11
Hình 1.9: Mô hình hệ thống WDM ...........................................................................12
Hình 1.10: Mô hình tổng quát của một hệ thống WDM-PON..................................13
Hình 1.11: Mô hình P2MP của mạng WDM-PON ...................................................14
Hình 1.12: Kiến trúc PON hỗn hợp ..........................................................................16
Hình 1.13: DWDM super-PON sử dụng ONU không phụ thuộc bƣớc sóng ...........17
Hình 1.14: Kiến trúc của RITENET ........................................................................17
Hình 1.15: Kiến trúc tổng quát của LARNet ............................................................19
Hình 1.16: Cấu tạo của laser đa tần (MFL) ...............................................................19
Hình 1.17. Kiến trúc AWG đa đoạn..........................................................................20
Hình 1.18: Sử dụng CWDM để kết hợp và phân chia các tín hiệu quang thông qua
dải phổ tự do (FSR) của AWG. .................................................................................21
Hình 1.19: Cấu hình WDM/TDM lai ghép ...............................................................22
Hình 1.20: WDM/TDM trong đƣờng xuống.............................................................23
Hình 1.21: WDM/TDM trong đƣờng lên ..................................................................23
Hình 1.22: Giới hạn về công suất quang do tác động của bốn hiệu ứng phi tuyến ..29

viii

Hình 2.1: Giới thiệu về FSO .....................................................................................34
Hình 2.2: Mô hình thu phát cơ bản của hệ thống FSO, sơ đồ biểu diễn tín hiệu đƣợc
truyền dẫn một chiều, chiều ngƣợc lại hoàn toàn tƣơng tự. ......................................35
Hình 2.3: Phân bố cƣờng độ ánh sáng khi truyền .....................................................36
Hình 2.4: Kiến trúc hệ thống FSO ............................................................................36
Hình 2.6: Mô hình mạng phân phối trong thành phố bằng kĩ thuật FSO ................52
Hình 3.1: (a) Mạng truy nhập quang PON hiện tại [5] .............................................55
Hình 3.1: (b) Mạng truy nhập WDM-PON/FSO đơn chặng và đa chặng toàn quang
[5] ..............................................................................................................................55
Hình 3.2: Kiến trúc mạng truy nhập WDM-PON/FSO [5] .......................................57
Hình 3.3: Phƣơng sai Rytov theo tham số chiết suất với các khoảng cách truyền dẫn
khác nhau[5]. .............................................................................................................61
Hình 3.4: Truyền dẫn đƣờng xuống BER theo công suất truyền dẫn trên mỗi bit
thông tin Ps, với Rb = 1 Gbps, Ldx,XT = -30 dB, L = 4 km và

5 × 10˗15 và

thay đổi số lƣợng các nút chuyển tiếp N trong hệ thống sử dụng điều chế OOK (a)
và điều chế 4-PPM (b) [5]. ........................................................................................67
Hình 3.5: Truyền dẫn đƣờng xuống BER theo Ps, với 4-PPM, Rb = 1 Gbps, Ldx,XT = -30 dB
và L = 4 km cho các cƣờng độ nhiễu loạn Cn2 khác nhau [5]. .........................................68
Hình 3.6: Truyền dẫn đƣờng xuống BER theo khoảng cách truyền dẫn L, với Ps = 0
dBm, Rb = 1 Gbps, Ldx,XT = ˗30 dB và Cn2 = 5 × 10˗15 cho số nút chuyển tiếp khác
nhau (a) và mức tăng chỉ số điều chế M- PPM (b) [5]..............................................69
Hình 3.7: Truyền dẫn đƣờng xuống BER theo tốc độ truyền dẫn Rb, Ps = 0 dBm,
Ldx,XT = ˗30 dB và Cn2 = 5 × 10˗15 và L = 4 km cho các bậc điều chế PPM khác nhau

M với N = 1 (a) và N = 2(b) [5]. ................................................................................70
Hình 3.8: Truyền dẫn đƣờng lên BER theo Ps với Ldx,XT = -30 dB (a) và Ldx,XT = -15 dB
(b); Cn2 = 5 × 10˗15, M = 4, N = 1, L = 4 km [5]...............................................................71
2
Hình 3.9: Truyền dẫn đƣờng lên: BER theo Ps, Ldx,XT = -15 dB, dN+1,int = 20 m, Cn

= 5 × 10˗15, L = 4 km.Với số nút chuyển tiếp N khác nhau (a) và các bậc điều chế M
-PPM khác nhau (b) [5]. ............................................................................................72


ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Liệt kê suy hao của các bộ splitter tƣơng ứng ............................................7
Bảng 2.1. Các loại nguồn quang ...............................................................................39
Bảng 2.2. Bộ tách sóng FSO .....................................................................................40
Bảng 2.3. Các phần tử khí có trong kênh truyền.......................................................45
Bảng 2.4. Bán kính và quá trình tán xạ của các hạt tán xạ điển hình có trong không
khí tại  = 850 nm ....................................................................................................49
Bảng 2.5. Đƣa ra giá trị của dải tầm nhìn dƣới các điều kiện thời tiết khác nhau ....50
Bảng 3.1. Các thông số và hằng số hệ thống ............................................................66


1

LỜI MỞ ĐẦU
Mạng truy nhập nằm ở vị trí cuối của mạng viễn thông. Ngày nay, khi nhu
cầu truyền thông ngày càng lớn với nhiều dịch vụ mới yêu cầu băng thông rộng/tốc
độ cao kết nối đa phƣơng tiện trong đời sống kinh tế - xã hội của từng quốc gia,
từng khu vực và toàn cầu. Để đáp ứng đƣợc nhu cầu đó các nhà khoa học, các tổ

chức viễn thông, các hãng cung cấp thiết bị … đã tập trung nghiên cứu, phát triển
và áp dụng các giải pháp công nghệ mới nổi bật là giải pháp tạo ra mạng truy nhập
quang với ƣu điểm về tốc độ cao lên đến hàng Gbps, băng thông rộng, bảo mật tốt..
Trong đó mạng truy nhập quang thụ động (PON) mang lại hiệu quả rất lớn
cho các nhà khai thác mạng. Phƣơng thức này có thể dựa trên nền ATM (APON),
nền Ethernet (EPON), hoặc băng rộng (BPON), hay sử dụng công nghệ Gigabit
(GPON), sử dụng ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng (WDM-PON). Nổi bật trong
tất cả các mạng quang thụ động trên thì WDM-PON sẽ là công nghệ hứa hẹn nhất
cho các mạng truy nhập vì nó cung cấp băng thông rất lớn. Công nghệ WDM-PON
có khả năng cung cấp kết nối tốc độ cao, chất lƣợng tốt và tin cậy cho mạng truy
nhập. Tuy nhiên trong nhiều trƣờng hợp, không thể triển khai các kết nối sợi quang
nhƣ các khu đông dân cƣ, hoặc nơi có địa hình phức tạp (qua sông, hồ...).
Truyền thông quang không dây (FSO) là công nghệ truyền dữ liệu dựa trên
việc truyền ánh sáng qua không gian. FSO gần đây nhận đƣợc nhiều sự quan tâm
nhờ vào lợi thế của nó nhƣ: tốc độ truyền dữ liệu cao, không bị hạn chế băng thông
và độ bảo mật cao. FSO là lựa chọn đầy triển vọng cho môi trƣờng truy nhập băng
thông rộng nhờ có khả năng cung cấp tốc độ dữ liệu gigabit trên giây (Gbps), và
cũng cho phép nhiều ngƣời sử dụng chia sẻ đồng thời tài nguyên . Công nghệ truyền
dẫn FSO có tốc độ tƣơng đƣơng sợi quang, với khả năng triển khai nhanh, linh hoạt.
Các hệ thống FSO lại hoàn toàn tƣơng thích với mạng PON về tốc độ truyền dẫn và
khả năng kết nối.
Sử dụng ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng (WDM-PON) kết hợp với công
nghệ truyền thông quang không dây FSO là một hƣớng nghiên cứu còn mới ở Việt
Nam cũng nhƣ ở nƣớc ngoài. Chính vì thế, trong luận văn này sẽ tập trung nghiên
cứu, phân tích, xây dựng mô hình hệ thống “Kết hợp công ngệ WDM-PON và FSO
trong mạng truy nhập quang”. Để tiện theo dõi, nội dung của các chƣơng đƣợc
khái quát lại nhƣ sau:


2

-

Chƣơng 1: Trình bày về mạng truy nhập quang thụ động WDM (WDM-

-

PON) bao gồm khái niệm, kiến trúc, ƣu nhƣợc điểm cũng nhƣ các giải
pháp trong WDM-PON.
Chƣơng 2: Giới thiệu về hệ thống truyền thông quang không dây FSO

-

bao gồm kiến trúc hệ thống, các đặc điểm và ứng dụng của FSO.
Chƣơng 3: Mạng truy nhập quang kết hợp WDM-PON và FSO trong đó
đƣa ra mô hình, kiến trúc hệ thống, phân tích và đánh giá hiệu năng hệ
thống.

Mặc dù đã hết sức cố gắng trong quá trình nghiên cứu, nhƣng luận văn chắc
chắn sẽ không thể tránh khỏi đƣợc những thiếu sót. Vì vậy, em rất mong nhận đƣợc
sự thông cảm, góp ý và nhận xét của các Thầy, Cô giáo để luận văn đƣợc hoàn thiện
hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng 05 năm 2017

Trần Duy Dũng

3

CHƢƠNG 1: MẠNG TRUY NHẬP QUANG THỤ ĐỘNG WDM
(WDM-PON)
1.1 Mạng truy nhập quang thụ động (PON)
1.1.1 Tổng quan về PON
PON là từ viết tắt của Passive Optical Network hay còn gọi là mạng quang
thụ động. Công nghệ mạng quang thụ động PON còn đƣợc hiểu là mạng công nghệ
quang truy nhập giúp tăng cƣờng kết nối giữa các nút mạng truy nhập của nhà cung
cấp dịch vụ và ngƣời sử dụng. Công nghệ PON đƣợc biết tới đầu tiên đó là TPONTelephony PON đƣợc triển khai vào những năm 90, tiếp đó năm 1998, mạng
BPON-Broadband PON đƣợc chuẩn hóa dựa trên nền ATM. Hai năm 2003 và 2004
đánh dấu sự ra đời của hai dòng công nghệ Ethernet PON-EPON và Gigabit PONGPON, có thể nói hai công nghệ này mở ra cơ hội mới cho các nhà cung cấp dịch
vụ giải quyết hàng loạt vấn đề truy nhập băng thông rộng tới ngƣời sử dụng đầu
cuối. Thành viên mới nhất trong gia đình PON đó là WDM -PON. Trong công nghệ
PON, tất cả thành phần chủ động giữa trạm trung tâm CO-Central Office và ngƣời
sử dụng sẽ không còn tồn tại mà thay vào đó là các thiết bị quang thụ động, để điều
hƣớng các lƣu lƣợng trên mạng dựa trên việc phân chia năng lƣợng tới các điểm
đầu cuối trên đƣờng truyền. Vì vậy mà ngƣời ta gọi là công nghệ mạng quang thụ
động. Mạng truy nhập tồn tại ở nhiều dạng khác nhau và PON là một trong những
dạng đó.
Do đó PON đã thể hiện đƣợc ƣu điểm là 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 các thành phần tích cực và là một sự lựa
chọn thích hợp nhất cho mạng truy nhập.


4

1.1.2 Thành phần cơ bản mạng quang thụ động

Passive slitter: Bộ chia thụ quang thụ động, Feeder Fiber: Cáp Feeder, Central office: Trạm
trung tâm, Distribution fiber: Sợi quang phân phối, Management system: Hệ thống quản lý

Hình 1.1: Mô hình mạng quang thụ động

Các phần tử thụ động của PON đều nằm trong mạng phân bố quang hay còn
gọi là mạng quang 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 mạng PON. Tín hiệu trong PON có thể đƣợc
phân ra và truyền đi theo nhiều sợi quang hoặc đƣợc kết hợp lại và truyền đi trên
một sợi quang thông qua bộ ghép kênh quang, ngoài ra còn phụ thuộc tín hiệu đó đi
theo đƣờng lên hay đƣờng xuống của mạng quang thụ động PON.
a) Sợi quang và cáp quang
Hai thông số cơ bản của sợi quang là suy hao và tán sắc. Tuy nhiên ta chỉ xét
đến thông số tán sắc và không quan tâm đến suy hao do khoảng cách truyền dẫn tối
đa chỉ là 20 km. Do đó ngƣời ta sẽ sử dụng sợi quang có suy hao nhỏ, chủ yếu là sử
dụng sợi quang theo chuẩn G652. Không giống nhƣ cáp đồng truyền tín hiệu điện,
cáp quang truyền tín hiệu bằng ánh sáng. Chính vì sự khác biệt đó mà cáp quang ít
bị ảnh hƣởng bởi nhiễu, cho tốc độ cao và có khả năng truyền đi xa hơn.
Cáp quang gốm các thành phần đƣợc thể hiện nhƣ hình 1.2.


5

Core: phần lõi, Cladding: lớp phản xạ ánh sáng, Primary coating : lớp vỏ bảo vệ chính , Strength: lớp gia
cƣờng, Buffer: lớp đệm, Jacket: lớp vỏ bọc cáp

Hình 1.2: Cấu trúc của cáp quang

b) Bộ tách ghép quang

Coupler
Một mạng quang thụ động sử dụng một thiết bị thụ động để tách 1 tín hiệu
quang từ một sợi quang sang một vài sợi quang khác và ngƣợc lại. Thiết bị này
đƣợc gọi là Coupler quang.

Hình 1.3: Cấu hình cơ bản của các loại Coupler

 1.3a có chức năng tách 1 tín hiệu quang vào thành 2 tín hiệu quang ở đầu
ra, gọi là coupler Y
 1.3b có chức năng ghép các tín hiệu quang tại 2 đầu vào thành 1 tín hiệu tại
đầu ra
 1.3c vừa ghép vừa tách quang gọi là coupler X hoặc Y phân hƣớng 2x2


6

AWG (Cách tử mảng ống dẫn sóng)
Cách tử mảng ống dẫn sóng (AWG) là một thiết bị có thể phân chia hoặc kết
hợp các tín hiệu cùng với những cửa số bƣớc sóng khác nhau. AWG đƣợc thiết lập
nhƣ một kênh sợi quang hai chiều, nơi mà ánh sáng tới đầu vào của sợi quang đầu
tiên đƣợc đƣa vào phân đoạn ống dẫn sóng đa mode, tiếp theo sẽ truyền tải thông
qua một vài ống dẫn sóng đơn mode đến phân đoạn đa mode thứ hai, và cuối cùng
đƣợc đƣa đến đầu ra sợi quang. Quá trình lọc cửa sổ bƣớc sóng dựa trên ảnh hƣởng
của giao thoa và độ dài các tuyến đƣờng quang khác nhau trong ống dẫn sóng đơn
mode. Bất cứ một bƣớc sóng kết hợp tại đầu vào đƣợc truyền tải thông qua các ống
dẫn sóng đơn mode, và đầu ra trong bất cứ kênh nào sẽ dẫn tới sự chồng lấn (giao
thoa) của tất cả các cửa sổ bƣớc sóng.

Hình 1.4: Cấu trúc cơ bản của cách tử mảng ống dẫn sóng

Cách tử mảng ống dẫn sóng có thể đƣợc sử dụng trong miền quang đối với
khoảng cách truyền dẫn dài và các mạng quang thụ động. AWG có thể thực hiện
ghép kênh đối với một số lƣợng các kênh quang lớn. Hai công nghệ tiêu biểu đó là
sử dụng cách tử mảng ống dẫn sóng AWG và cách tử Bragg sợi quang. Mặc dù
công nghệ này rất khó để đạt đƣợc hiệu năng tốt trong các quá trình phân kênh và
ghép kênh với số lƣợng các kênh nhỏ. Tuy nhiên nó lại có khả năng mở rộng tốt
hơn với số lƣợng các kênh lớn và phù hợp với các kiến trúc phức tạp.

Hình 1.5: Bộ ghép kênh AWG


7

Những thành phần của một tín hiệu quang đầu vào đƣợc truyền trực tiếp đến
các cổng đầu ra đƣợc chỉ rõ cùng cửa sổ bƣớc sóng nhƣ trên hình 1.5(a). Một bộ
ghép kênh AWG phổ biến bao gồm 2 bộ coupler (tách/ghép quang) hoạt động cùng
nhau với các ống dẫn sóng có độ dài khác nhau thể hiện trên hình 1.5 (b). Chức
năng của các ống dẫn sóng nhƣ một cách tử quang để phân tán tín hiệu của các
bƣớc sóng khác nhau.
Bộ chia Splitter
Bộ chia là thiết bị thụ động, nhiệm vụ của bộ chia là chia công suất quang từ
một sợi ra nhiều sợi khác nhau, từ OLT đến ONU có thể sử dụng nhiều dạng bộ
chia có tỷ lệ chia là 1:2, 1:4, 1:8, 1:16, 1:32, 1:64, 1:128. Việc sử dụng bộ chia có tỷ
lệ lớn nhƣ 1:32 hay 1:64 có thể sử dụng thay thế bằng bộ chia nhiều lớp với lớp thứ
nhất sử dụng bộ chia 1:2 và lớp thứ 2 sử dụng 2 bộ chia 1:4. Tuy nhiên hầu hết hệ
thống PON sử dụng bộ chia 1:16 và 1:32, tỷ lệ chia trực tiếp ảnh hƣởng đến quỹ suy
hao của hệ thống và suy hao truyền dẫn. Tỷ lệ của bộ chia càng cao cũng có nghĩa
là công suất truyền đến mỗi ONU sẽ giảm xuống do suy hao của bộ chia Splitter
1:N tính theo công thức 10  log N (dB), nếu tỷ lệ chia mà tăng lên gấp đối thì suy
hao sẽ tăng lên 3dB.

Bảng 1.1. Liệt kê suy hao của các bộ splitter tƣơng ứng

Số cổng

Suy hao Splitter

2

3 dB

4

6 dB

8

9 dB

16

12 dB

32

15 dB

64

18 dB

c) Đầu cuối đường quang OLT
OLT cung cấp giao diện giữa hệ thống mạng truy nhập quang thụ động PON
và mạng quang đƣờng trục của các nhà cung cấp dịch vụ thoại, dữ liệu và video.
OLT có thể đƣợc đặt bên trong trạm trung tâm hoặc tại một trạm từ xa. OLT cũng


8

kết nối đến mạng lõi của nhà cung cấp dịch vụ thông qua hệ thống quản lý EMS. Sơ
đồ khối chức năng của OLT đƣợc mô tả nhƣ sau:

Hình 1.6: Các khối chức năng trong OLT

 Phần lõi OLT
Phần lõi OLT bao gồm các chức năng: Chức năng kết nối chéo đƣợc số hóa
cung cấp các kết nối giữa phần mạng lõi với phần mạng phân phối quang ODN.
Chức năng ghép kênh truyền dẫn cung cấp kết nối VP giữa chức năng cổng dịch vụ
SPF và giao diện ODN. Các VP khác nhau đƣợc gán vào các dịch vụ khác nhau tại
giao diện PON. Các thông tin khác nhƣ báo hiệu, OAM đƣợc trao đổi nhờ các VC
trong VP. Chức năng ghép kênh truyền dẫn cung cấp việc truyền và ghép các kênh
trên mạng phân phối quang ODN. Chức năng giao diện ODN cung cấp mối trƣờng
truyền dẫn quang kết nối OLT với một hoặc nhiều ONU bằng việc sử dụng thiết bị
thụ động. Nó điều khiển quá trình chuyển đổi quang điện và điện quang.
 Phần dịch vụ OLT
Phần dịch vụ OLT có chức năng cổng dịch vụ, các cổng dịch vụ sẽ truyền tốc
độ ISDN và có thể cấu hình một số dịch vụ hay có thể hỗ trợ hai hay nhiều dịch vụ
khác nhau nhƣ game online, truyền dữ liệu. Chức năng cổng dịch vụ đóng vai trò
giao tiếp với node dịch vụ, chức năng cổng dịch vụ thực hiện chèn tế bào ATM vào
tải trọng SDH đƣờng lên, và tách tế bào ATM từ tải trọng SDH đƣờng xuống.
 Phần chung OLT

Bao gồm chức năng cấp nguồn và chức năng hoạt động, quản lý và bảo
dƣỡng OAM, chức năng cấp nguồn chuyển đổi nguồn ngoài thành nguồn mong


9

muốn, chức năng OAM cung cấp các phƣơng tiện để hoạt động, quản lý và bảo
dƣỡng cho tất cả các khối OLT.
d) Đơn vị mạng quang ONU
ONU đƣợc đặt ở phía khách hàng, ONU cung cấp phƣơng tiện cần thiết để
phân phối các dịch vụ khác nhau đƣợc điều khiển bởi OLT. ONU cũng đƣợc chia
làm 3 phần: phần lõi, phần dịch vụ và phần chung.

Hình 1.7: Các khối chức năng trong ONU

 Phần lõi ONU
Giao diện ODN xử lý các quá trình chuyển đổi quang điện, giao diện ODN
lấy các tế bào ATM từ tải trọng PON đƣờng xuống và chèn các tế bào ATM vào tải
trọng đƣờng lên. Phần lõi ONU gồm: Chức năng ghép khách hàng và dịch vụ có
nhiệm vụ nếu ở phía khách hàng thì dữ liệu sẽ đƣợc ghép trƣớc khi truyền đến ODN
còn nếu ở phía ODN thì các dịch vụ sẽ tách ra phù hợp cho từng yêu cầu dịch vụ.
Chức năng ghép kênh truyền dẫn cung cấp các chức năng phân phối tín hiệu giữa
ODN và khách hàng.Chức năng giao diện ODN cung cấp chức năng chuyển đổi
quang điện hay điện quang.
 Phần dịch vụ ONU
Cung cấp các chức năng cổng của ngƣời dùng, chức năng cổng của ngƣời
dùng cung cấp các giao diện dịch vụ của khách hàng. Chức năng này có thể đƣợc
cấp bởi một khách hàng hay một nhóm khách hàng. Nó cũng cung cấp chức năng
chuyển đổi tín hiệu tùy thuộc vào giao diện.

10

 Phần chung ONU
Bao gồm chức năng cấp nguồn, chức năng hoạt động, quản lý và bảo dƣỡng
OAM. Chức năng cấp nguồn ví dụ nhƣ chuyển đổi tín hiệu xoay chiều thành tín
hiệu một chiều và ngƣợc lại. Chức năng OAM cung cấp các phƣơng tiện để điều
khiển các chức năng hoạt động, quản lý và bảo dƣỡng cho tất cả khối ONU.
e) ODN
Cung cấp phƣơng tiện truyền dẫn quang cho kết nối vật lý giữa ONU và
OLT, các ODN riêng lẻ có thể đƣợc kết hợp và mở rộng nhờ các bộ khuếch đại
quang, ODN gồm các thành phần thụ động nhƣ cáp và sợi quang đơn mode,
connecter quang, thiết bị rẽ nhánh quang thụ động, bộ suy hao quang thụ động và
mối hàn.

1.1.3 Các cấu hình mạng PON
Có một vài cấu hình thích hợp cho mạng truy nhập nhƣ cấu hình cây, vòng
hoặc bus. Mạng quang thụ động có thể triển khai linh động trong bất kỳ cấu hình
nào nhờ sử dụng một tap coupler quang 1:2 và bộ tách quang 1:N. Dƣới đây là một
vài cấu hình về PON:

Hình 1.8a: Cấu hình cây sử dụng bộ chia 1:N

Tất cả quá trình truyền dẫn trong mạng PON đều đƣợc thực hiện giữa OLT
và ONU. OLT nằm tại CO (Central Office), kết nối mạng quang đến mạng khu vực
đô thị MAN hoặc mạng diện rộng WAN còn đƣợc gọi là Backbone, mạng đƣờng
dài chẳng hạn nhƣ mạng IP. ONU ở đầu cuối ngƣời sử dụng trong các giải pháp nhƣ
FTTH, FTTB/C và có khả năng cung cấp các dịch vụ thoại, dữ liệu, multimedia,
băng rộng.

11

Hình 1.8b: Cấu hình bus sử dụng tap coupler 1:2

Hình 1.8c: Cấu hình dạng vòng sử dụng tap coupler 2x2

Hình 1.8d: Cấu hình dạng cây dự phòng sử dụng bộ chia 2:N

1.1.4 Các chuẩn trong mạng PON
Các chuẩn mạng PON có thể chia thành 2 nhóm: nhóm 1 gồm các chuẩn theo
phƣơng thức truy nhập TDMA-PON nhƣ B-PON, E-PON,G-PON; nhóm 2 bao gồm
các chuẩn theo phƣơng thức truy nhập khác nhƣ WDM-PON và CDMA-PON
 B-PON: đƣa ra các tiêu chuẩn về các khối chức năng ONT và OLT,
khuôn dạng và tốc độ khung của luồng dữ liệu hƣớng lên và hƣớng
xuống. Phƣơng thức truy nhập hƣớng lên là TDMA. Ngoài ra B-PON
sử dụng phƣơng pháp DBA để cho phép OLT nhận biết lƣợng băng
thông cần thiết cấp cho các ONT.


12

 E-PON: là giao thức truy nhập mạng truy nhập đầy đủ dịch vụ FSAN.
Dữ liệu hƣớng xuống đƣợc đóng khung theo khuôn dạng Ethernet. Tốc
độ truyền dữ liệu của E-PON có thể đạt tới 1Gbps
 GE-PON: là phát triển của E-PON tại tốc độ 10Gbps và đƣợc ứng dụng
chủ yếu trong mạng quảng bá video số.
 GPON: là đƣợc xây dựng trên B-PON và E-PON. Mặc dù GPON hỗ trợ
truyền tải tin ATM nhƣng nó cũng đƣa vào một cơ chế thích nghi tải tin
mà đƣợc tối ƣu hóa cho truyền tải khung Ethernet là phƣơng thức đóng

gói GEM. Ngoài ra GPON sử dụng cấu trúc khung GTC cho cả hai
hƣớng lên và hƣớng xuống
 WDM-PON: là mạng quang thụ động sự dụng phƣơng thức ghép kênh
phân chia theo bƣớc sóng. OLT sử dụng một bƣớc sóng độc lập để
thông tin tới mỗi ONT theo dạng điểm-điểm. Mỗi ONU có một bộ lọc
quang để lựa chọn bƣớc sóng tƣơng thích với nó. WDM-PON sử dụng
cho nhiều ứng dụng khác nhau nhƣ FTTx, các ứng dụng VDSL và các
điểm truy nhập vô tuyến từ xa

1.2 Kiến trúc và giải pháp WDM-PON
1.2.1 Tổng quan về WDM

TxN

1
DE-

,1

Kênh 1

RxN

TxN
Kênh N

1

MUX/
N

,N

DEMUX

Sợi dẫn quang

1,2, ... N
,1,,2, ... ,N

MUX/
MUX

RxN

,1

Kênh 1

TxN
N

RxN

,N

RxN

TxN

Kênh N

Hình 1.9: Mô hình hệ thống WDM

Giả sử có các nguồn quang làm việc ở các bƣớc sóng khác nhau 1, 2, ..., n.
Tín hiệu quang ở các bƣớc sóng khác nhau này sẽ đƣợc ghép vào cùng một sợi dẫn
quang. Các tín hiệu có bƣớc sóng khác nhau đƣợc ghép lại ở phía phát nhờ bộ ghép


13

kênh (MUX), bộ ghép bƣớc sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ và tín hiệu sau khi
ghép sẽ đƣợc truyền dọc theo sợi quang tới phía thu. Các bộ tách sóng quang khác
nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bƣớc sóng riêng rẽ này
sau khi chúng qua bộ tách kênh (DE-MUX).
Ở phía phát, các thiết bị ghép kênh phải có suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang
tới tận đầu ra của bộ ghép kênh. Ở đầu thu, các bộ tách sóng quang phải nhạy với
độ rộng của các bƣớc sóng quang.Khi thực hiện tách kênh cần phải thực hiện cách li
kênh quang thật tốt với các bƣớc sóng bằng cách thiết kế các bộ giải ghép kênh thật
chính xác, các bộ lọc quang nếu đƣợc sử dụng phải có bƣớc sóng cắt chính xác, dải
làm việc thật ổn định.
Có 2 phƣơng án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép kênh phân chia
theo bƣớc sóng là thiết lập hệ thống ghép kênh một hƣớng và thiết lập hệ thống theo
2 hƣớng. Hình vẽ 1.9 mô tả hệ thống truyền dẫn theo 2 hƣớng, trong đó tại đầu cuối
của hệ thống có các thiết bị tách ghép kênh hỗn hợp. Trong hệ thống này 1, 2, ...,

N và ’1, ’2, ..., nằm trên một cửa sổ truyền dẫn nhƣng thuộc 2 dải tần số khác
nhau.

1.2.2 Mô hình hệ thống WDM-PON

CO (Center Office): Trạm trung tâm, Remote Node: Nút đầu xa

Hình 1.10: Mô hình tổng quát của một hệ thống WDM-PON

Hình 1.10 cho ta thấy mô hình tổng quát của một hệ thống WDM-PON. CO
(trạm trung tâm) chứa nhiều bộ thu phát tại những cửa sổ khác nhau sẽ có những