Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (Luận văn thạc sĩ)

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

Vũ Tuấn Hƣng

PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MẠNG TRUY NHẬP
QUANG VÔ TUYẾN ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TWDM-PON VÀ FSO

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

HÀ NỘI - 2018


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

Vũ Tuấn Hƣng

PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MẠNG TRUY NHẬP
QUANG VÔ TUYẾN ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TWDM-PON VÀ FSO
CHUYÊN NGÀNH :
MÃ SỐ:

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

85.20.20.08 8

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hƣớng ứng dụng)
TS. LÊ HẢI CHÂU

HÀ NỘI - 2018


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 10 tháng 11 năm 2017
Học viên

Vũ Tuấn Hƣng


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 Học viện Công nghệ Bƣu chính Viễn thông.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hƣớng dẫn TS. Lê Hải Châu, PGS.TS.
Đặng Thế Ngọc đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em
trong suốt quá trình 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 10 tháng 11 năm 2017
Học viên

Vũ Tuấn Hƣng


iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................ v
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................. vi
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ...................................................................................... viii
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ QUANG THỤ ĐỘNG VÀ
TRUYỀN THÔNG QUANG QUA KHÔNG GIAN TỰ DO .................................... 3
1.1. Giới thiệu chung ................................................................................................... 3
1.2. Công nghệ quang thụ động .................................................................................. 4
1.2.1. Kiến trúc chung của mạng truy nhập quang thụ động ........................... 5
1.2.2. Các công nghệ truy nhập quang thụ động hiện tại ................................ 6
1.2.3. Xu hướng phát triển của mạng quang thụ động .................................. 11
1.3. Công nghệ truyền thông quang qua không gian tự do ....................................... 12
1.3.1. Hệ thống truyền thông quang qua không gian tự do ........................... 12
1.3.2. Các đặc điểm của hệ thống FSO .......................................................... 16
1.3.3. Các thách thức với hệ thống FSO ........................................................ 17
1.4. Kết luận chƣơng ................................................................................................. 19

CHƢƠNG 2 HỆ THỐNG LAI GHÉP GIỮA QUANG THỤ ĐỘNG VÀ TRUYỀN
THÔNG QUANG QUA KHÔNG GIAN TỰ DO .................................................... 20
2.1. Giới thiệu chung ................................................................................................. 20
2.2. Một số hệ thống lai ghép giữa quang thụ động và quang vô tuyến ................... 21


iv

2.2.1. Hệ thống lai ghép giữa TDM-PON và FSO ......................................... 21
2.2.2. Hệ thống lai ghép giữa WDM-PON và VLC ........................................ 22
2.3. Hệ thống lai ghép sử dụng công nghệ TWDM-PON và FSO ............................ 23
2.3.1. Công nghệ TWDM-PON ...................................................................... 23
2.3.2. Mô hình hệ thống lai ghép giữa TWDM-PON và FSO ........................ 29
2.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng kênh truyền....................................................... 31
2.4. Kết luận chƣơng ................................................................................................. 42
CHƢƠNG 3 HIỆU NĂNG MẠNG TRUY NHẬP QUANG VÔ TUYẾN SỬ DỤNG

KỸ THUẬT TWDM-PON VÀ FSO ........................................................................ 44
3.1. Giới thiệu chung ................................................................................................. 44
3.2. Mô hình hóa hệ thống lai ghép sử dụng công nghệ TWDM-PON và FSO ....... 45
3.2.1. Giới thiệu về phần mềm OptiSystem .................................................... 45
3.2.2. Mô hình hệ thống TWDM-PON kết hợp FSO ...................................... 46
3.3. Phân tích hiệu năng hệ thống ............................................................................. 51
3.4. Kết luận chƣơng ................................................................................................. 59
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 61


v

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1. Các phần tử khí có trong kênh truyền....................................................... 36
Bảng 2.2. Bán kính và quá trình tán xạ của các hạt tán xạ điển hình có trong không
khí tại λ = 850 nm ..................................................................................................... 38


vi

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mạng quang thụ động PON ........................................................................ 5
Hình 1.2. Mạng truy nhập quang thụ động GPON ..................................................... 7
Hình 1.3. Mô hình mạng truy nhập EPON ................................................................. 9
Hình 1.5. Các giai đoạn phát triển của công nghệ mạng PON ................................. 11
Hình 1.6. Sơ đồ khối hệ thống FSO điển hình .......................................................... 12
Hình 2.1. Kiến trúc mạng lai giữa TDM-PON và FSO ............................................ 21
Hình 2.2. Kiến trúc mạng lai ghép WDM-PON và VLC .......................................... 22
Hình 2.3. Kiến trúc mạng TWDM-PON ................................................................... 23
Hình 2.4. Kế hoạch bƣớc sóng của TWDM-PON .................................................... 26
Hình 2.5. Suy hao sợi quang đơn mode và tán sắc ................................................... 27
Hình 2.6. Mạng backhaul di động lai ghép TWDM-PON và FSO ........................... 30
Hình 2.7. Sự ảnh hƣởng của dãn rộng xung quang do tán sắc gây ra ....................... 33
Hình 2.8. Kênh không khí với các xoáy lốc hỗn loạn ............................................... 35
Hình 2.9. Ảnh hƣởng của sự nhiễu loạn không khí lên tín hiệu thu đƣợc ................ 35
Hình 2.10. (a)Xung quang lan truyền qua môi trƣờng nhiễu loạn khí quyển bị biến
dạng; (b) Sự giãn xung làm tăng lỗi bit..................................................................... 36
Hình 2.11. Mô hình lệch hƣớng của chùm tia ........................................................... 39
Hình 3.1. Mô hình đƣờng xuống hệ thống lai ghép TWDM-PON/FSO .................. 44
Hình 3.2. Sơ đồ đƣờng xuống hệ thống TWDM-PON kết hợp FSO ........................ 46
Hình 3.3. Khối phát tín hiệu đƣờng xuống ............................................................... 47

Hình 3.4. Sơ đồ khối bên trong máy phát ................................................................. 47


vii

Hình 3.5. Khối thu tín hiệu........................................................................................ 48
Hình 3.6. Sơ đồ khối phía máy thu ........................................................................... 48
Hình 3.7. Mạng phân phối quang .............................................................................. 48
Hình 3.8. Tham số thiết lập nguồn phát .................................................................... 49
Hình 3.9. Tham số bộ ghép kênh AWG .................................................................... 49
Hình 3.10. Tham số kênh truyền sợi quang .............................................................. 50
Hình 3.11. Tham số kênh truyền FSO ...................................................................... 50
Hình 3.12. Sơ đồ đƣờng xuống hệ thống TWDM-PON ........................................... 51
Hình 3.13. Phổ và công suất của tín hiệu tại đầu ra bộ AWG phía phát .................. 52
Hình 3.14. Phổ và công suất của tín hiệu tại đầu vào máy thu ................................. 53
Hình 3.15. Đánh giá chất lƣợng tín hiệu đƣờng xuống tại Rx1 qua BER ................ 54
Hình 3.16. So sánh hiệu năng của hai hệ thống theo công suất nguồn phát ............. 55
Hình 3.17. So sánh hiệu năng của hai hệ thống theo tổng chiều dài kênh truyền .... 56
Hình 3.18. So sánh hiệu năng của hai hệ thống theo độ lợi của bộ khuếch đại ........ 57
Hình 3.19. So sánh hiệu năng hệ thống với chiều dài FSO khác nhau ..................... 58


viii

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Viết tắt

Thuật ngữ tiếng anh

Thuật ngữ tiếng việt

APD

Avalanche PhotoDiode

Điốt quang thác

AWG

Arrayed Waveguide Grating

Cách tử dẫn sóng dạng mảng

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ lỗi bit

B-PON

Broadband Passive Optical
Network

Mạng quang thụ động băng rộng

Binary Phase Shift Keying

Điều chế khóa dịch pha nhị phân

Conventional wavelength Band

Băng tần C

CD

Chromatic Dispersion

Tán sắc sắc thể

CO

Central Office

Trạm trung tâm

DFB

Distributed FeedBack laser

Laser phản hồi phân tán

BPSK
C-Band

Khuếch đại quang pha tạp

EDFA

Erbium Doped Fiber Amplifier

EPON

Ethernet Passive Optical Network

Mạng quang thụ động Ethernet

10 Gbit/s Ethernet Passive Optical

Mạng quang thụ động Ethernet

Network

tốc độ 10 Gbit/s

G-EPON

Erbium

Mạng quang thụ động tốc độ

GPON

Gigabit Passive Optical Network

GVD

Group Velocity Dispersion

Tán sắc vận tốc nhóm

ISI

Inter-Symbol Interference

Nhiễu liên ký hiệu

Gigabit


ix

LOS

Light of Sight

Tầm nhìn thẳng

MZM

Mach Zehnder Modulator

Bộ điều chế Mach Zehnder

NRZ

None-Return-to-Zero

Mã không trở về không

OA

Optical Amplifier

Bộ khuếch đại quang

Optical Code Division Multiple

Hệ thống đa truy nhập phân chia

Access System

theo mã quang

OLT

Optical Line Terminal

Thiết bị kết cuối đƣờng quang

ONU

Optical Network Unit

Thiết bị mạng quang

OOK

On-Off Keying

Khóa bật tắt

OWC

Optical Wireless Communication

Truyền thông quang không dây

PAT

Pointing, Acquisition and Tracking

Hƣớng, bám và tìm kiếm

PON

Passive Optical Network

Mạng quang thụ động

PRBS

Pseudorandom Binary Sequence

Chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên

SNR

Signal-to-Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

TDM

Time Divison Multiplexing

OCDMA

TWDM
WDM
XG-PON

Ghép kênh phân chia theo thời
gian

Time and Wavelength Division

Ghép kênh phân chia theo thời

Multiplexing

gian và bƣớc sóng

Wavelength Division Multiplexing

Ghép kênh theo bƣớc sóng

10-Gigabit Passive Optical
Network

Mạng quang thụ động 10 Gbit/s


1

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, trƣớc nhu cầu sử dụng lƣu lƣợng internet ngày càng tăng và sự
phát triển mạnh mẽ của các hệ thống thông tin di động, yêu cầu mở rộng, nâng cấp
hệ thống mạng là hết sức cần thiết. Để đảm bảo đƣợc nhu cầu băng thông hiện nay,
có nhiều công nghệ đƣợc nghiên cứu và đề xuất, trong đó có công nghệ quang thụ
động ghép kênh quang phân chia theo thời gian và bƣớc sóng (TWDM-PON) kết
hợp với truyền thông quang qua không gian tự do (FSO) đƣợc quan tâm nhờ những
ƣu điểm nổi bật của giải pháp kỹ thuật này. Việc kết hợp mô hình mạng FSO và
TWDM-PON giúp kết hợp ƣu điểm của hai mô hình mạng đồng thời khắc phục
đƣợc các điểm yếu của nhau. Hệ thống kết hợp kỹ thuật TWDM-PON và FSO có
thể khắc phục đƣợc những hạn chế của TWDM-PON ở những vùng có địa hình cản
trở, các vùng đông dân cƣ nhờ sự linh hoạt và dễ triển khai của FSO, trong khi vẫn
đáp ứng tốt nhu cầu về băng thông với chất lƣợng truyền dẫn cao.
Hệ thống lai ghép giữa TWDM-PON và FSO hứa hẹn cung cấp giải pháp
truy nhập tốc độ gigabit hiệu quả về mặt kinh tế và linh hoạt trong việc triển khai
nhờ tận dụng đƣợc ƣu điểm của cả hai công nghệ. Việc nghiên cứu tìm hiểu hệ
thống kết hợp này đã và đang là nhu cầu cấp thiết trong việc nắm bắt và làm chủ các
công nghệ truy nhập mới cho các hệ thống mạng di động trong tƣơng lai. Do vậy
nội dung luận văn “Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô
tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM-PON và FSO” đƣợc tổ chức thành ba chƣơng nhƣ
sau:
Chƣơng 1 - Tổng quan về công nghệ quang thụ động và truyền thông quang
qua không gian tự do: Chƣơng này trình bày tổng quan về công nghệ PON và công
nghệ FSO, đồng thời giới thiệu những đặc điểm và xu hƣớng phát triển của hai công

nghệ này.


2

Chƣơng 2 - Hệ thống lai ghép giữa mạng quang thụ động và truyền thông
quang qua không gian tự do: Chƣơng này trình bày một số hệ thống lai ghép giữa
quang thụ động và quang vô tuyến, nhận xét những ƣu, nhƣợc điểm của hệ thống lai
ghép giữa quang thụ động và quang vô tuyến. Qua đó, nghiên cứu và tìm hiểu về hệ
thống lai ghép giữa TWDM-PON và FSO.
Chƣơng 3 - Hiệu năng mạng truy nhập quang vô tuyến sử dụng kỹ thuật
TWDM-PON và FSO: Chƣơng này mô hình hóa hệ thống lai ghép giữa TWDMPON và FSO, sử dụng phần mềm OptiSystem để mô phỏng và đánh giá, nhận xét
kết quả đạt đƣợc đồng thời phân tích các tham số ảnh hƣởng tới hiệu năng BER của
hệ thống.
Mặc dù đã hết sức cố gắng trong quá trình nghiên cứu, nhƣng luận văn chắc
chắn sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận đƣợc sự thông cảm
và góp ý, nhận xét của các thầy, cô để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!


3

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ QUANG THỤ ĐỘNG VÀ
TRUYỀN THÔNG QUANG QUA KHÔNG GIAN TỰ DO
1.1. Giới thiệu chung
Với xu hƣớng hiện nay, các công nghệ mạng đƣờng trục phát triển rất mạnh
mẽ, các dịch vụ viễn thông cũng chuyển hƣớng từ loại hình dịch vụ hƣớng dữ liệu
thông thƣờng sang loại hình dịch vụ hƣớng video (HDTV, hội nghị truyền hình,…)
bên cạnh đó nhu cầu của ngƣời sử dụng cũng ngày càng tăng cao, hiện tƣợng

nghẽn cổ chai ở mạng truy nhập là điều không thể tránh khỏi. Để hạn chế xảy ra
tắc nghẽn, cần phải tạo ra một đƣờng truyền băng thông rộng, tốc độ cao và có khả
năng nâng cấp đƣợc. Có nhiều giải pháp đƣợc áp dụng để khắc phục vấn đề này ở
phía mạng truy nhập, trong đó hai công nghệ nổi bật phải kể đến là: Truyền thông
quang qua không gian tự do (FSO) và mạng quang thụ động (PON). Đây là hai
công nghệ có những ƣu điểm riêng biệt và đƣợc xem là giải pháp hữu ích cho
mạng truy nhập [7].
Ƣu điểm nổi bật của công nghệ PON là có giá thành rẻ, không phụ thuộc và
các điều kiện môi trƣờng, không cần phải cung cấp năng lƣợng cho các thiết bị giữa
trạm trung tâm và phía ngƣời dùng do mạng PON sử dụng các bộ chia thụ động
(splitter) không cần cấp nguồn. Ngoài ra, ƣu điểm này còn giúp các nhà khai thác
giảm đƣợc chi phí vận hành. Trong khi đó ƣu điểm chính công nghệ FSO là băng
thông rộng, tốc độ truyền dẫn cao, có tính bảo mật, không yêu cầu cấp phát phổ tần,
không bị ảnh hƣởng bởi nhiễu điện từ, có tính linh hoạt dễ dàng triển khai và triển
khai nhanh chóng, chi phí bảo dƣỡng thấp và hiệu quả kinh tế cao (trung bình chi
phí lắp đặt chỉ bằng 1/5 so với lắp đặt cáp quang).


4

1.2. Công nghệ quang thụ động
Công nghệ PON đầu tiên đƣợc biết đến vào khoảng những năm 1990, sự ra
đời của nó đã đánh dấu bƣớc chuyển biến lớn của mạng viễn thông lúc bấy giờ, 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. Trải qua quá trình phát triển cho đến
nay, mạng quang thụ động vẫn tiếp tục đƣợc phát triển, hoàn thiện và đã chiếm một
vị trí hết sức quan trọng trong mạng viễn thông.
Mạng quang thụ động là một mạng quang điểm – đa điểm (P2MP) sử dụng
các phần tử thụ động nhƣ: sợi quang, bộ ghép quang, các bộ chia quang,… để
truyền dẫn tín hiệu từ nguồn tới đích. 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. Mỗi
đầu cuối 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
phối quang 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 [3]. Với cấu trúc nhƣ
vậy, mạng PON 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 thiết bị
mạng quang (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 giúp cho chi phí của các ONU giảm đi rất nhiều, do chỉ phải sử
dụng các bộ thu phát giá thành thấp hơn. Với những lý do nhƣ trên, công nghệ
PON có thể đƣợc coi là một giải pháp hàng đầu cho mạng truy nhập [3][4].


5

1.2.1. Kiến trúc chung của mạng truy nhập quang thụ động
Một mạng quang thụ động điển hình bao gồm 3 thành phần: Thiết bị kết cuối
đƣờng quang (OLT), mạng phân phối quang (ODN), thiết bị mạng quang. Trong
mạng phân phối quang bao gồm các phần tử thụ động nhƣ sợi quang, các bộ chia,
các bộ tách/ghép quang thụ động, các đầu nối và các mối hàn quang. Phần tử tích
cực nhƣ OLT sẽ nằm ở trạm trung tâm (CO) và ONU nằm ở phía ngƣời dùng. Hình
1.1 là kiến trúc mạng quang thụ động điển hình.

Hình 1.1. Mạng quang thụ động PON

Tín hiệu trong PON có thể đƣợc phân chia và truyền đi theo nhiều sợi quang
hoặc đƣợc kết hợp lại và truyền đi trên một sợi quang thông qua bộ ghép quang, phụ
thuộc tín hiệu đó đi theo đƣờng lên hay đƣờng xuống của mạng quang thụ động.
Mạng PON thƣờng đƣợc triển khai trên sợi quang đơn mode, với cấu hình cây là
phổ biến.
- Hệ thống PON điển hình bao gồm các phần tử nhƣ sau:
+ Bộ tách/ghép quang (Coupler): là thiết bị dùng để tách một tín hiệu quang
từ một sợi quang sang một vài sợi quang và ngƣợc lại.
+ Cách tử dẫn sóng dạng mảng (AWG): là một thiết bị có thể phân chia hoặc
kết hợp các tín hiệu cùng với những cửa sổ bƣớc sóng khác nhau.


6

+ Bộ chia (Splitter): là thiết bị dùng để 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 và 1:128. Tỷ lệ chia trực tiếp ảnh hƣởng đến
quỹ công suất của hệ thống và suy hao truyền dẫn. Nếu tỷ lệ chia mà tăng lên gấp
đôi thì suy hao sẽ tăng lên 3dB.
+ Thiết bị kết cuối đường quang (OLT): cung cấp giao tiếp 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 tổng đài hoặc tại
một trạm từ xa.
+ Thiết bị mạng quang (ONU): là thiết bị đƣợc đặt ở phía khách hàng, nó
cung cấp giao tiếp giữa mạng thoại, video và dữ liệu ngƣời dùng với mạng quang
PON. Chức năng cơ bản của ONU là nhận dữ liệu ở dạng quang và chuyển sang
dạng phù hợp với ngƣời dùng và đƣợc điều khiển bởi OLT.
+ Mạng phân phối quang (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.
+ Hệ thống quản lý (EMS): dùng để quản lý các phần tử khác nhau của mạng
PON và cung cấp giao diện đến mạng lõi của nhà cung cấp dịch vụ. EMS có chức
năng quản lý về cấu hình, đặc tính và bảo mật.

1.2.2. Các công nghệ truy nhập quang thụ động hiện tại
a) 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.
Công nghệ quang thụ động truyền dẫn không đồng bộ (APON) sử dụng công nghệ
ghép kênh theo thời gian cho đƣờng xuống và công nghệ đa truy nhập phân chia
theo thời gian cho đƣờng lên. Công nghệ quang thụ động băng rộng (BPON) là


7

chuẩn trên nền APON đƣợc bổ sung để hỗ trợ cho ghép kênh phân chia theo bƣớc
sóng (WDM), 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 đƣờng lên và 622 Mbps đƣờng xuống hoặc tốc độ đối
xứng 622 Mbps. Các hệ thống BPON đã đƣợc sử dụng nhiều ở nhiều nơi, tập trung
ở Bắc Mỹ, Nhật Bản và một phần Châu Âu.

b) GPON
Hạn chế của BPON là khó có thể nâng cấp lên tốc độ cao hơn 622 Mbps và
mạng PON trên cơ 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 Gbit/s 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 quang thụ động tốc độ
gigabit (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 GPON cho phép vài sự lựa chọn tốc độ bit: cho phép
băng thông đƣờng xuống tối đa là 2,488 Mbps và băng thông đƣờng lên là 1,244
Mbps [3]. GPON hỗ trợ tốc độ cao hơn, tăng cƣờng bảo mật và cho phép lựa chọn
giao thức lớp 2 (ATM, Ethernet). Điều đó cho phép GPON phân phối thêm các dịch
vụ tới nhiều thuê bao.

Hình 1.2. Mạng truy nhập quang thụ động GPON


8

Hình 1.2 là mô hình của mạng quang thụ động GPON, GPON có một số đặc
điểm chính sau [3] :
 Tốc độ dữ liệu: 1,244/2,488 Gbit/s đường xuống và 0,155/0,622/1,244/ 2,488
Gbit/s đường lên.
 Bước sóng: 1260 – 1360 nm đường lên; 1480 – 1500 nm đường xuống.
 Đa truy nhập đường lên: TDMA.
 Cấp phát băng thông động.
 Loại lưu lượng: Dữ liệu số.
 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.

c) EPON
Mạng quang thụ động Ehernet (EPON) là mạng trên cơ 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 Gbit/s. Ở đƣờng 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.


9

Ở đƣờng 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 đƣờng 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
đƣờng lên (từ ngƣời dùng đến mạng), ONU cần sử dụng một vài cơ chế tránh xung
đột dữ liệu và chia sẽ dung lƣợng kênh quang hợp lý. Ở đây, luồng dữ liệu đƣờng
lên đƣợc phân bố theo thời gian. Hình 1.3 cho ta thấy về mô hình của mạng truy
nhập EPON.

Hình 1.3. Mô hình mạng truy nhập EPON

EPON cung cấp kênh liên kết cho nhiều loại hình dịch vụ truyền thông dựa
trên nền tảng IP hay truyền thông gói. Hơn nữa, dựa vào sự tiến bộ liên tục trong
tốc độ truyền dẫn trên Ethernet, tốc độ dịch vụ EPON cho khách hàng hiện tại có
thể lên tới 1 Gbit/s.

d) 10G-EPON và XG-PON
Nhằm mở rộng tốc độ truy nhập đƣờng lên và đƣờng xuống trong mạng PON
hiện nay lên mức 10 Gbit/s trong khi vẫn bảo đảm khả năng tƣơng thích ngƣợc với
các mạng PON đã đƣợc triển khai. IEEE và ITU-T cùng với nhóm FSAN đã xác
định giải pháp của họ là IEEE 802.3av 10G-EPON và ITU-T XG-PON. Nhóm công
tác P802.3AV đã tiêu chuẩn hóa 10G-EPON với khả năng hỗ trợ hai loại tốc độ: đối


10

xứng với 10 Gbit/s đƣờng lên và đƣờng xuống; và không đối xứng với 10 Gbit/s
đƣờng xuống và 1,25 Gbit/s đƣờng lên. Trong khi đó FSAN chuẩn hóa XG-PON1
là hệ thống 10 Gbit/s không đối xứng với tốc độ 10 Gbit/s cho đƣờng xuống và 2,5
Gbit/s cho đƣờng lên, còn hệ thống với tốc độ đối xứng 10 Gbit/s đƣợc gọi là XGPON2 [4]. Khả năng tƣơng thích là tính năng ấn tƣợng nhất của XG-PON. XG-PON
cùng tồn tại với GPON trên cùng ODN. Khả năng tƣơng thích giữa XG-PON1 và
GPON đạt đƣợc bằng cách thực hiện WDM ở đƣờng xuống và WDMA ở đƣờng
lên. Sự cùng tồn tại của GPON và XG-PON1 đƣợc thể hiện trong hình 1.4.

Hình 1.4. XG-PON cộng hữu cùng GPON

Sự khác biệt cơ bản của hai công nghệ này bắt nguồn từ sự triển khai rộng rãi
của những ngƣời tiền nhiệm, EPON và GPON. Sự khác biệt cơ bản giữa 10GEPON và XG-PON là XG-PON là một công nghệ truyền tải cho Ethernet cũng nhƣ
TDM và ATM, trong khi EPON không sử dụng đóng gói (do đó lƣu lƣợng Ethernet
đƣợc vận chuyển tự nhiên và tất cả các tính năng Ethernet đƣợc hỗ trợ đầy đủ). Mặc
dù, hai tiêu chuẩn này rất khác nhau trong thực hiện, liên quan đến vận chuyển
Ethernet, quản lý, phân bổ băng thông, vv, chúng đều có khả năng cung cấp các tính
năng QoS có giá trị cần thiết.
Mạng quang thụ động tốc độ 10 Gbit/s có một số đặc điểm chính sau [4]:
 Bước sóng: Đường lên từ 1260 nm đến 1280 nm, đường xuống từ 1575

nm đến 1580 nm, và 1575 nm đến 1581 nm (cho triển khai ngoài trời).


11

 Quỹ công suất: Lớp N1: 14 dB đến 29 dB, lớp N2: 16 dB đến 31 dB, quỹ
mở rộng : Nhỏ nhất 33 dB.
 Tốc độ đường truyền: Đường lên 2,48832 Gbit/s, đường xuống 9,95328
Gbit/s.
 Tỉ lệ chia: Tối thiểu 1:64, có khả năng mở rộng tới 1:128 và 1:256.
 Phạm vi truyền dẫn vật lý tối đa: Tối thiểu 20 Km.
 Phạm vi truyền dẫn logic tối đa: Tối thiểu 60 Km.

1.2.3. Xu hướng phát triển của mạng quang thụ động
Sự phát triển trong công nghệ truy nhập quang cho đến nay có thể chia thành
hai giai đoạn chính. Giai đoạn đầu tiên bao gồm các mạng truy nhập quang tốc độ
vài Gigabit hoặc thấp hơn hiện đã và đang đƣợc triển khai rộng khắp nhƣ G-PON,
E-PON,… Giai đoạn thứ hai là công nghệ truy nhập tốc độ 10 Gbit/s với hai giải
pháp công nghệ riêng biệt đƣợc chuẩn hóa bởi hai tổ chức chuẩn hóa khác nhau là
10G-EPON đƣợc chuẩn hóa bởi IEEE và XGPON đƣợc chuẩn hóa bởi ITU-T (hình
1.5).

Hình 1.5. Các giai đoạn phát triển của công nghệ mạng PON


12

Tuy nhiên, nhu cầu băng thông đang ngày một tăng lên và bị chi phối chính
bởi cuộc cách mạng về dịch vụ video nhƣ dịch vụ truyền hình theo yêu cầu, truyền
hình Internet, chia sẻ video,... Do vậy, các nhà cung cấp thiết bị và khai thác viễn

thông cùng các tổ chức chuẩn hóa đã 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). Trong số nhiều công nghệ PON đƣợc nghiên cứu và đề
xuất làm giải pháp kỹ thuật cho NG-PON2. Nhờ khả năng đáp ứng tốt các yêu cầu
kỹ thuật đƣợc đề ra cho NG-PON2 cũng nhƣ đảm bảo tính khả thi, giải pháp kỹ
thuật TWDM-PON đã thuyết phục đƣợc các nhà cung cấp thiết bị và khai thác
mạng viễn thông. Tháng 4 năm 2012, cộng đồng FSAN đã chính thức lựa chọn
TWDM-PON là công nghệ giải pháp cho mạng truy nhập quang thụ động thế hệ kế
tiếp thứ 2, NG-PON2. Cho đến nay công nghệ truy nhập quang TWDM-PON vừa
mới đƣợc chuẩn hóa và NG-PON3 vẫn đang đƣợc xúc tiến.

1.3. Công nghệ truyền thông quang qua không gian tự do
1.3.1. Hệ thống truyền thông quang qua không gian tự do
Bộ phát

Kênh không gian tự do

Bộ thu

Hình 1.6. Sơ đồ khối hệ thống FSO điển hình


13

Công nghệ truyền thông quang qua không gian tự do sử dụng sự truyền lan
ánh sáng trong không gian tự do để truyền dữ liệu cho viễn thông hoặc mạng máy
tính. Đây là công nghệ truyền thông băng rộng tầm nhìn thẳng, trong đó tín hiệu
quang đƣợc truyền đi trong một búp sóng quang thay vì cáp quang nhƣ thông
thƣờng [6]. Công nghệ này hữu ích nơi các kết nối vật lý không khả thi do chi phí
cao hoặc các yếu tố khác. Một mạng truyền thông FSO điểm điểm bao gồm 2 bộ thu

phát với khả năng cung cấp thông tin hai chiều. Hình 1.6 là sơ đồ khối của hệ thống
FSO điển hình.

a) Bộ phát
Bộ phát có nhiệm vụ chính là điều chế dữ liệu gốc thành tín hiệu quang sau
đó truyền qua không gian tới bộ thu. Bộ phát bao gồm các bộ điều chế, nguồn
quang và thấu kính phát. Bộ điều chế có nhiệm vụ điều chế bản tin thành tín hiệu
quang thƣờng dùng điều chế khóa đóng ngắt (on-off keying - OOK). Các nguồn dữ
liệu đƣợc điều chế và bức xạ vào nguồn quang. Điều này đạt đƣợc bằng cách thay
đổi dòng điều khiển của nguồn quang trực tiếp với các dữ liệu đƣợc truyền tải hoặc
thông qua một bộ điều biến bên ngoài, chẳng hạn nhƣ giao thoa đối xứng
Mach­Zehnder. Nhƣ vậy mức logic "một" đƣợc truyền bằng cách bật nguồn quang
trong khi logic "không" đƣợc truyền bằng cách tắt nguồn quang. Điều chế khóa
đóng ngắt rất nhạy cảm với các biến dạng trong biên độ tín hiệu. Điều kiện khí
quyển nhƣ mây và sƣơng mù có thể ảnh hƣởng đáng kể hiệu suất của nó do suy hao
tín hiệu nhận đƣợc. Các tín hiệu quang cũng có thể đƣợc điều chế pha, tần số và tính
phân cực. Ví dụ, phƣơng thức điều chế nhất quán nhƣ khóa dịch pha nhị phân
(BPSK) và điều chế PSK vi sai (DPSK) có thể đƣợc sử dụng trong các hệ thống
FSO.
Bộ phát tín hiệu thu thập, trực chuẩn và điều hƣớng các bức xạ quang từ
nguồn quang đến bộ thu ở đầu kia của kênh. Các nguồn quang đƣợc sử dụng trong
các hệ thống FSO có thể là LED hoặc laser. Với dữ liệu tốc độ thấp (lên đến 10


14

Mbit/s) và khoảng cách ngắn hơn LED có thể đƣợc sử dụng nhƣng đối với khoảng
cách xa và tốc độ dữ liệu cao (Tốc độ dữ liệu Gbit/s), laser thƣờng đƣợc lựa chọn.
Dù không khí đƣợc coi là có độ trong suốt cao tuy nhiên đối với dải tần gần
dải bƣớc sóng hồng ngoại, một số dải bƣớc sóng nhất định có thể bị hấp thu nhiều.

Có một số cửa sổ truyền gần nhƣ trong suốt (suy hao <2 dB/Km) trong băng 700 ­
10000nm. Đa số các hệ thống FSO đƣợc thiết kế để hoạt động trong dải bƣớc sóng
780-850 nm và 1520-1600 nm. Các dải bƣớc sóng cũ sử dụng rộng rãi vì các thiết bị
thành phần có sẵn và ít tốn kém. Bƣớc sóng 1550nm cũng hấp dẫn vì một số lý do
nhƣ cho phép truyền công suất lớn hơn bƣớc sóng 850nm (nghĩa là công suất lớn
hơn có thể đƣợc truyền để chống lại sự suy hao của sƣơng mù), khả năng tƣơng
thích với ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng (WDM) và làm giảm bức xạ nền mặt
trời và tán xạ trong mây hoặc sƣơng mù.

b) Bộ thu
Bộ thu thực hiện việc khôi phục các dữ liệu đã đƣợc phát đi từ phía phát. Bộ
thu bao gồm các thành phần nhƣ thấu kính thu, bộ lọc quang, bộ tách sóng quang và
xử lý sau tách sóng. Các bức xạ quang đến đƣợc thu thập bởi bộ thu tín hiệu và tập
trung vào bộ lọc quang. Khẩu độ trung bình có thể đƣợc sử dụng để giảm suy hao
nhƣ kết quả của việc mở rộng chùm tia. Trong khẩu độ trung bình, bộ thu tín hiệu
đƣợc thực hiện tƣơng đối lớn để nó có thể thu thập nhiều bức xạ quang không tƣơng
quan, trung bình chúng và tập trung trung bình của chúng trên bộ tách sóng quang.
Tuy nhiên cần lƣu ý rằng khẩu độ rộng cũng làm tăng bức xạ nền hoặc nhiễu khi nó
thu thập các nguồn sáng khác nhƣ ánh sáng của bức xạ mặt trời. Các bộ lọc quang
có nhiệm vụ lọc các bức xạ quang truyền từ khác nguồn ánh sáng nhƣ mặt trời tác
động đến trên khẩu độ nhận. Điều này giúp giảm số lƣợng bức xạ nền.
Bộ tách sóng quang thu thập các bức xạ quang bức xạ từ kính thiên văn nhận
và chuyển đổi nó trở lại thành tín hiệu điện. Diode P-I-N hoặc APD đƣợc sử dụng
để chuyển đổi. Quá trình tách sóng hoặc mạch quyết định thực hiện khuếch đại, lọc
và xử lý tín hiệu cần thiết để đảm bảo phục hồi dữ liệu đáng tin cậy cao. Quá trình