FTTH Theo Cong Nghe GPON

(1)

KHOA VIỄN THÔNG II _____________

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HỆ CHÍNH QUY

NIÊN KHÓA: 2007-2012

Đề tài:

PHÂN TÍCH THIẾT KẾ MẠNG FTTH THEO

CÔNG NGHỆ GPON

Mã số đề tài: 12407160163

Sinh viên thực hiện: HUỲNH VĂN TỤ

MSSV: 407160163

Lớp: Đ07VA3

(2)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VIỄN THÔNG II _____________

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HỆ CHÍNH QUY

NIÊN KHÓA: 2007-2012

Đề tài:

PHÂN TÍCH THIẾT KẾ MẠNG FTTH THEO CÔNG

NGHỆ GPON

Mã số đề tài: 12407160163

NỘI DUNG

- Chƣơng I: TỔNG QUAN MẠNG TRUY NHẬP FTTH. - Chƣơng II: TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ PON.

- Chƣơng III: BÀI TOÁN THIẾT KẾ FTTH DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ GPON. - Chƣơng IV: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ BÀI TOÁN THIẾT KẾ

Sinh viên thực hiện: HUỲNH VĂN TỤ

MSSV: 407160163

Lớp: Đ07VA3

Giáo viên hƣớng dẫn: Th.S ĐỖ VĂN VIỆT EM

01/2012

(3)

MỤC LỤC ... MỤC LỤC HÌNH ... MỤC LỤC BẢNG ... LỜI MỞ ĐẦU ... 1 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUY NHẬP FTTH ... 4 1.1. FTTH, AON, PON ... 4 1.1.1 Công nghệ AON ... 4

1.2. So sánh giữa AON và PON ... 9

CHƢƠNG II: TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ PON ... 11

2.1. BPON chuẩn ITU-G.983 ... 11

2.1.1. Kiến trúc các lớp ... 11

2.1.2. Định dạng khung truyền dẫn ... 13

2.1.2.1. Khung ATM ... 14

2.1.2.2. Khung hƣớng xuống ... 15

2.1.2.3. Khung hƣớng lên ... 16

2.1.3. Bảo mật trong BPON ... 17

2.1.4. Chuyển mạch bảo vệ trong BPON ... 18

2.2. EPON chuẩn IEEE-802.3ah ... 19

2.2.1. Kiến trúc các lớp trong EPON ... 19

2.2.1.1. Lớp vật lý ... 20

2.2.1.2. Giao diện môi trƣờng Gigabit độc lập ... 22

2.2.1.3. Lớp liên kết dữ liệu ... 22

2.2.2. Cấu trúc khung truyền dẫn của EPON... 23

2.2.3. Giao thức điều khiển đa điểm (MPMC) trong EPON ... 24

2.3. GPON chuẩn ITU-G.984 ... 26

2.3.1. Kiến trúc các lớp trong GPON ... 26

(4)

2.3.2.3. Phân tích mào đầu của GEM ... 34

2.3.3. Phân bổ băng tần động (DBA) trong GPON ... 35

CHƢƠNG III: BÀI TOÁN THIẾT KẾ FTTH DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ GPON ... 36

3.1. Tính khả năng phục vụ của một OLT ... 36

3.2. Tính toán tính khả thi và mô hình khuyến nghị với bộ khuếch đại ... 39

CHƢƠNG IV: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ BÀI TOÁN THIẾT KẾ ... 45

4.1. Phân ti_{́ch bài toán “Tính khả năng phu ̣c vu ̣ của OLT” ... 45}

4.2. Phân ti_{́ch bài toán “Tính khả thi và mô hình khuyến nghi ̣” ... 50}

4.2.1 Phân tích 1: Ảnh hưởng của tỉ lệ chia ... 51

4.2.2 Phân tích 2: Ảnh hưởng của khoảng cách từ OLT đến ONT ... 54

4.2.3 Phân tích 3: Sự ảnh hưởng của công suất phát lên mô hình triển khai ... 55

4.2.4 Phân tích 4: Trường hợp cần chú ý khi thiết kế ... 56

KẾT LUẬN ... 58 TỪ VIẾT TẮT ... TÀI LIỆU THAM KHẢO ...

(5)

Hình 1.1: Cấu trúc AON ... 5

Hình 1.2: Cấu trúc AON Ethernet ... 5

Hình 1.3: Cấu trúc mạng FTTH dựa trên công nghệ PON ... 6

Hình 1.4: Nguyên lí thu/phát ONT ... 8

Hình 1.5 Các kiểu kiến trúc của PON ... 8

Hình 1.6: Vùng ODN ... 9

Hình 2.1 Kiến trúc các lớp trong BPON ... 12

Hình 2.2: Cấu trúc khung ATM ... 14

Hình 2.3: Cấu trúc khung hƣớng xuống của BPON ... 15

Hình 2.4: Đi ̣nh da ̣ng cell PLOAM hƣớng lên ... 17

Hình 2.5: Mô hình chuyển ma ̣ch bảo vê ̣ trong PON ... 19

Hình 2.6: Kiến trúc các lớp trong EPON... 20

Hình 2.7: Cấu trúc khung truyền dẫn của EPON ... 23

Hình 2.8: Bản tin GATE hƣớng xuống ... 25

Hình 2.9: Bản tin REPORT hƣớng lên ... 26

Hình 2.10: Kiến trúc các lớp trong GPON ... 27

Hình 2.11 : Phân lớp đóng khung GTC ... 29

Hình 2.12: Cấu trúc khung hƣớng xuống ... 30

Hình 2.13: Cấu trúc khung GTC hƣớng lên ... 33

Hình 2.14: Cấu trúc khung và mào đầu của khung GEM ... 34

Hình 3.1: Sƣ̣ phân bố OLT ... 38

Hình 3.2: Mô hình kiến trúc 2 tầng splitter ... 40

Hình 3.3: Liên kết vâ ̣t lí tƣ̀ OLT đến ONT ... 41

Hình 3.4: Các vùng suy hao của sợi quang ... 42

Hình 3.5: Bô ̣ khuếch đa ̣i SAO11b ... 44

Hình 4.1: P-OLT 7432 ... 46

(6)

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 2.1: Các mã PTI ... 34

Bảng 3.1: Tỉ lệ chia và các mức tốc độ điển hình ... 37

Bảng 3.2: Thông số các loa ̣i connecter ... 41

Bảng 3.3: Tiêu chuẩn ITU-T G.652 về suy hao sơ ̣i quang ... 42

Bảng 3.4: Thông số splitter PLC ... 43

Bảng 3.5: Vùng bƣớc sóng khuếch đại của OFA ... 44

Bảng 4.1: Bảng suy hao của splitter ... 50

(7)

Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng dịch vụ Viễn thông ngày càng cao do mức sống đƣợc nâng lên đồng thời công việc và nhu cầu giải trí ngày càng đòi hỏi chất lƣợng các dịch vụ phải không ngừng đƣợc tăng lên.

Chúng ta có thể lấy sự gia tăng nhu cầu về Internet ra làm một ví dụ. Theo “Báo cáo Netcitizens Việt Nam năm 2011” của Cimigo, xét về tốc độ tăng trƣởng, “Việt Nam là quốc gia có tỷ lệ tăng trƣởng Internet nhanh nhất trong khu vực và nằm trong số các quốc gia có tỷ lệ tăng trƣởng cao nhất trên thế giới. Từ năm 2000, số lƣợng ngƣời sử dụng Internet đã nhân lên 120 lần. Cách đây 10 năm, tỷ lệ sử dụng Internet của Việt Nam nằm cách xa hầu hết các nƣớc Châu Á khác”.

Chính vì những nhu cầu không ngừng tăng lên cùng với yêu cầu về chất lƣợng đã đặt ra cho Viễn thông bài toán tăng tốc độ truyền dẫn.

Ngày nay ngƣời ta đã quen với một công nghệ xuất hiện từ 10 năm trƣớc ở Việt Nam là ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line – đƣờng dây thuê bao số bất đối xứng). ADSL ra đời trở thành một điểm nhấn trong tốc độ truyền dẫn tại Việt Nam. Tuy nhiên, hiện nay với yêu cầu băng thông ngày càng cao thì ADSL hầu nhƣ “đuối sức”.

Tại Việt Nam, đề án "Đƣa Việt Nam sớm trở thành nƣớc mạnh về công nghệ thông tin và truyền thông" của Thủ tƣớng Chính phủ tại Quyết định số 1755/QĐ-TTg ngày 22/09/2010 đã chỉ ra định hƣớng, tầm nhìn cho sự phát triển ngành băng rộng tại Việt Nam đến năm 2015 là: Cơ bản hoàn thành mạng băng rộng đến các xã, phƣờng trên cả nƣớc, kết nối Internet đến tất cả các trƣờng học, tỉ lệ ngƣời dân sử dụng Internet đạt trên 50%.

Vì vậy, “Trong năm 2010, ngƣời ta nói nhiều tới việc băng rộng di động mà cụ thể là 3G lên ngôi sẽ khiến cho ADSL phải suy thoái. Nhƣng theo nhiều chuyên gia, đây lại không phải là điều đáng lo ngại nhất, mà đối thủ sẽ ảnh hƣởng trực tiếp tới “năng lực” phát triển của ADSL trong năm 2011 và các năm tới lại là FTTx (công nghệ truyền dẫn cáp quang) và FTTH (Internet cáp quang chuẩn). Theo Báo cáo viễn thôngViệt Nam, trong năm 2009 trên thế giới đã có 39,4 triệu hộ gia đình sử dụng FTTH, con số này tăng lên 51,4 triệu hộ trong năm 2010 và dự kiến sẽ đạt gần 90 triệu hộ gia đình sử dụng cáp quang vào năm 2012. Dự đoán, FTTH sẽ là ngành kinh doanh cốt lõi của các nhà cung cấp dịch vụ Internet”.[8]

Tuy nhiên, FTTH vẫn còn khó khăn khi giá cƣớc đắt hơn ADSL nên việc triển khai tại Việt Nam vẫn còn nhiều khó khăn nhất định.

(8)

lƣợt là: Cáp quang tới giao điểm; Cáp quang tới tủ thiết bị; Cáp quang tới tòa nhà; Cáp quang tới tận nhà. FTTx có thể là mạng truyền dẫn quang thụ động – PON (Passive Optical Network), trong đó tất cả các thành phần quang chủ động (active) giữa tổng đài CO (Central Office) và ngƣời sử dụng sẽ không còn tồn tại mà thay vào đó là các thiết bị quang thụ động (passive), để điều hƣớng lƣu lƣợng trên mạng dựa trên việc phân tách năng lƣợng của các bƣớc sóng quang học tới các điểm đầu cuối trên đƣờng truyền. Mặc khác, FTTx cũng có thể là mạng truyền dẫn quang chủ động AON (Active Optical Network).

Trong 4 dạng FTTx, thì FTTH là hoàn chỉnh nhất về công nghệ, tiêu chuẩn quốc tế và tối ƣu tiện ích cho ngƣời dùng. Trong FTTH gồm có EPON (Ethernet PON), BPON (Broadband PON) và GPON (Gigabit PON). Xét trên phƣơng diện tốc độ truyền dẫn thì EPON có tốc độ 1Gbps cho cả 2 hƣớng (IEEE 802.3 (802.3ah)), BPON có tốc độ 155,52 Mbps cho hƣớng lên, 155,52 hoặc 622,08Mbps cho hƣớng xuống (ITU-T G.983). GPON có tốc độ cao nhất lên tới 2,488 Gbps cho cả 2 hƣớng (ITU-T G.984).

(9)

FTTH THEO CÔNG NGHỆ GPON” nhằm làm rõ các vấn đề chính sau:

Nêu rõ đƣợc nhƣ̃ng ƣu điểm của PON đồng thời làm rõ các chuẩn công nghê ̣ đƣợc dùng trong PON nhƣ BPON , EPON và GPON về tốc đô ̣ truyền dẫn , cấu trúc khung truyền và các vấn đề đƣợc đề câ ̣p trong các chuẩn đƣợc ITU -T và IEEE đƣa ra.

Đƣa ra hai bài toán thiết kế thƣ̣c tế dƣ̣a trên công nghê ̣ GPON và phân tích kết quả của hai bài toán ấy nhằm làm rõ những vấn đề nhất định trong việc chọn GPON làm công nghê ̣ truyền dẫn, cung cấp di ̣ch vu ̣ cho khách hàng.

Với các nội dung chính nhƣ trên, để hoàn thành mục tiêu, bài báo cáo đƣợc phân làm các chƣơng với các đề mục cụ thể nhƣ sau:

 Chƣơng I: TỔNG QUAN MẠNG TRUY NHẬP FTTH  Chƣơng II:TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ PON

 Chƣơng III:BÀI TOÁN THIẾT KẾ FTTH DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ GPON

(10)

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUY NHẬP FTTH

1.1. FTTH, AON, PON

Nhƣ đã nói ở trên,mạng FTTH là mạng truy nhập cáp quang. Trong đó có hai phƣơng án triển khai FTTH là PON và AON. Mỗi phƣơng án đều có ƣu, nhƣợc điểm riêng. Một nhƣợc điểm rất lớn của mạng quang tích cực AON chính là ở thiết bị chuyển mạch. Với công nghệ hiện tại, thiết bị chuyển mạch bắt buộc phải chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện để phân tích thông tin rồi tiếp tục chuyển ngƣợc lại để truyền đi. Điều này sẽ làm giảm tốc độ truyền dẫn tối đa có thể trong hệ thống FTTH. Nếu xét về chi phí để bảo dƣỡng thiết bị thì PON lợi thế hơn hẳn khi các thiết bị chủ động trong AON đƣợc thay bằng các thiết bị thụ động.

Đồng thời, AON có nhiều ƣu điểm nhƣ: tầm kéo dây xa (lên đến 70km mà không cần bộ lặp (repeater)), tính bảo mật cao (do việc can thiệp nghe lén (eavesdropping) trên đƣờng truyền gần nhƣ là không thể), dễ dàng nâng cấp băng thông thuê bao khi cần, dễ xác định lỗi. Tuy nhiên, công nghệ AON cũng có khuyết điểm là chi phí cao do: việc vận hành các thiết bị trên đƣờng truyền đều cần nguồn cung cấp, mỗi thuê bao là một sợi quang riêng, cần nhiều không gian chứa cáp.

Trong khi đó, với PON đƣờng truyền chính sẽ đi từ thiết bị trung tâm OLT (Optical Line Termination) qua một thiết bị chia tín hiệu (Splitter) và từ thiết bị này mới kéo đến nhiều ngƣời dùng (có thể chia từ 32 – 64 thuê bao). Splitter không cần nguồn cung cấp, có thể đặt bất kỳ đâu nên nếu triển khai cho nhiều thuê bao thì chi phí giảm đáng kể so với AON. Do Splitter không cần nguồn nên hệ thống cũng tiết kiệm điện hơn và không gian chứa cáp cũng ít hơn so với AON. Tuy nhiên, PON cũng có nhiều khuyết điểm nhƣ khó nâng cấp băng thông khi thuê bao yêu cầu (do kiến trúc điểm đến nhiều điểm sẽ ảnh hƣởng đến những thuê bao khác trong trƣờng hợp đã dùng hết băng thông), khó xác định lỗi hơn do một sợi quang chung cho nhiều ngƣời dùng, tính bảo mật cũng không cao bằng AON (có thể bị nghe lén nếu không mã hóa dữ liệu).

1.1.1 Công nghệAON

AON có cấu trúc “point to point” (điểm - điểm), trong đó kết nối giữa khách hàng và CO thông qua thiết bị đầu cuối ONT là một kết nối trực tiếp trên một sợi quang. Những yêu cầu kết nối từ phía khách hàng thông qua sự định tuyến của các router, switch, multiplexer tại CO sẽ đi ra mạng dịch vụ bên ngoài. AON sử dụng bƣớc sóng 1550nm để truyền tín hiệu hƣớng xuống (từ CO đến phía khách hàng) và 1310nm để truyền tín hiệu cho hƣớng lên (từ phía khách hàng đến CO). Một cấu trúc của AON đơn giản đƣợc thể hiện trong Hình 1.1.

(11)

Hình 1.1: Cấu trúc AON

Một nhƣợc điểm rất lớn của mạng quang chủ động chính là ở thiết bị chuyển mạch. Với công nghệ hiện tại, thiết bị chuyển mạch bắt buộc phải chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện để phân tích thông tin rồi tiếp tục chuyển ngƣợc lại để truyền đi, điều này sẽ làm giảm tốc độ truyền dẫn tối đa có thể trong hệ thống FTTX. Ngoài ra do đây là những chuyển mạch có tốc độ cao nên các thiết bị này có chi phí đầu tƣ lớn, không phù hợp với việc triển khai đại trà cho mạng truy cập.

Việc cùng lúc xử lí các yêu cầu truy nhập hƣớng lên của ngƣời dùng ra mạng dịch vụ bên ngoài cũng nhƣ việc phân tích để chuyển luồng dữ liệu từ các dịch vụ đến ngƣời dùng có thể gây quá tải trong xử lí hoặc xung đột tại OLT của CO. Để tránh xung đột tín hiệu ở đoạn phân chia từ nhà cung cấp tới ngƣời dùng, cần phải sử dụng một thiết bị điện có tính chất “đệm” cho quá trình này. Từ năm 2007, một loại mạng cáp quang phổ biến đã nảy sinh là Ethernet tích cực (Active Ethernet). Đó chính là bƣớc đi đầu tiên cho sự phát triển của chuẩn 802.3ah nằm trong hệ thống chuẩn 802.3 đƣợc gọi là Ethernet in First Mile (EFM). Mạng Ethernet tích cực này sử dụng chuyển mạch Ethernet quang để phân phối tín hiệu cho ngƣời sử dụng. Nhờ đó, cả phía nhà cung cấp và khách hàng đã tham gia vào một kiến trúc mạng chuyển mạch Ethernet.

Các Ethernet Switch sẽ giúp giảm xung đột do xử lí tín hiệu tại CO, nó cần cấp nguồn để hoạt động. Việc chuyển mạch tại đây dựa trên lớp 2 và lớp 3 của cấu trúc khung Ethernet. Mạng AON nhƣ vừa nói có thể đƣợc miêu tả trong Hình 1.2.

Switch quang Central Office OLT ONT ONT OLT Central office ONT ONT ONT 1550 nm 1310 nm

(12)

1.1.2 Công nghệPON

PON – Passive Optical Network, hay còn đƣợc gọi là mạng quang thụ động, một trong những công nghệ đƣợc sử dụng trong FTTH. Nhƣ đã nói ở trên,trong PON tất cả các thành phần quang chủ động (active) giữa tổng đài CO (Central Office) và ngƣời sử dụng sẽ không còn tồn tại mà thay vào đó là các thiết bị quang thụ động (passive), để điều hƣớng lƣu lƣợng trên mạng dựa trên việc phân tách năng lƣợng của các bƣớc sóng quang học tới các điểm đầu cuối trên đƣờng truyền. PON là công nghệ truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA), các user với yêu cầu truy nhập của mình đƣợc phân biệt bằng các khe thời gian. Cấu trúc một mạng truy nhập FTTH dựa trên công nghệ PON có thể đƣợc trình bày trong Hình 1.3.

Hình 1.3: Cấu trúc mạng FTTH dựa trên công nghệ PON

IP Transport Network ATM network PSTN/ TDM network Video/ audionetwork SBC management systems VGW EMS FTTH EMS VGW

O

LT

sy

stem

V-OLT Vi d eo c o u p le r SFU ONT SFU ONT SBU ONT MTU ONT MDU ONT Splitter 1:N PON

(13)

Các thành phần trong mạng FTTH trên công nghệ PON gồm có:

OLT (Optical Line Termination)

 Đặt ở trung tâm chuyển mạch (CO – Central Office) có nhiệm vụ giao tiếp với các mạng dịch vụ và kết nối các yêu cầu truy nhập của ngƣời dùng ra các mạng này.

 Có hai chức năng chính: truyền dữ liệu từ mạng dịch vụ và phân phối cho user. Đồng thời sẽ ghép kênh các dữ liệu user trƣớc khi gửi ra các mạng dịch vụ.

 Dung lƣợng mà 1 ONT có thể phục vụ đƣợc dựa trên số card hƣớng xuống của mỗi ONT. Nếu mỗi ONT có X card, mỗi card có Y port, và tỉ lệ Splitter là 1:N thì số thuê bao (số kết nối giữa ONT và OLT) đƣợc tính:

Số thuê bao = X x Y x N

Ví dụ: P-OLT 7432 của hãng Alcatel có 14 card hƣớng xuống, mỗi card có 4 port, tỉ lệ Splitter là 1:64 thì số ONT có thể phục vụ lên đến:

14 x 4 x 64=3584 ONT

ONT (Optical Network Termination)

 Đặt cuối đƣờng dây, trƣớc thiết bị ngƣời dùng đóng vai trò nhƣ “ngƣời thông dịch” cho các dữ liệu cũng nhƣ các các yêu cầu truy nhập từ phía ngƣời dùng chuyển lên.

 Gồm có các loại:

- SFU ONT: là thiết bị đặt ở bên ngoài nhà thuê bao, dùng cho các hộ gia đình nhỏ. Có hai giao tiếp chính là giao tiếp POTS cho điện thoại và giao tiếp 10/100 bT Ethernet.

- MDU ONT: phục vụ cho khu dân cƣ, các tòa nhà, chung cƣ với nhiều yêu cầu về dịch vụ. Nó sẽ cung cấp nhiều giao tiếp hơn 1 SFU ONT và hỗ trợ giao tiếp dịch vụ nhiều hơn.

- B-ONT: các ONT loại B thƣờng đƣợc cung cấp cho các doanh nghiệp hoặc một cụm các doanh nghiệp loại nhỏ. Nó có khả năng giao tiếp dịch vụ triple – play (voice, data, video).

 Nếu nhìn trên phƣơng diện vật lí, ONT có nhiệm vụ chuyển đổi quang-điện tín hiệu từ nhà cung cấp dịch vụ xuống khách hàng và ngƣợc lại. Tuy nhiên, bƣớc sóng hƣớng lên và hƣớng xuống khác nhau mà tín hiệu chỉ đƣợc truyền trên mô ̣t sợi quang duy nhất nên tại ONT, xen giữa quá trình chuyển đổi quang điện

(14)

Hình 1.4: Nguyên lí thu/phát ONT VGW (Voice Gateway): giao tiếp giữa PON tới mạng PSTN/TDM.

V-ONT (the Voice ONT): nhận và khuếch đại/ khôi phục tín hiệu video từ mạng

Video/Audio.

EMS (The Element Management Systems): giao tiếp từ các mạng khác đến mạng lõi

SBC.

ODN (Optical Distribution Network): mạng phân phối quang, là tập hợp nhiều

splitter đƣợc sắp xếp theo kiểuCây, Bus, Ring…tùy theo mục đích phục vụ của nhà cung cấp dịch vụ. (Hình 1.5)

Kiến trúc thƣờng đƣợc sử dụng hiện nay là cấu trúc hình cây, nhƣ Hình 1.6.

Hình 1.5 Các kiểu kiến trúc của PON

(a) Kiến trúc hình cây (sử dụng bộ 1:N) (c) Kiến trúc vòng ring (sử dụng bộ ghép 2x2)

(b) Kiến trúc bus (sử dụng bộ ghép 1:2) (d) Kiến trúc hình cây với một trung kế thừa (sử dụng bộ chia 2:N)

Bộ phát Diplexer Optical block Bộ nhận 1310 nm 1490 nm

(15)

Hình 1.6: Vùng ODN

Với AON nhƣ đã nói ở trên, chiều dài của đoạn này có thể lên tới 70 Km. Tuy nhiên với FTTH dựa trên công nghệ PON nói chung, khoảng cách này hỗ trợ tối đa 20 Km.

Trong vùng ODN, hai thành phần kết nối quan trọng nhất dĩ nhiên là sợi quang và Spliter.

Splitter: có thể hiểu đây là thành phần quan trọng trong mạng quang thụ động giúp giảm thiểu số lƣợng sợi quang sử dụng trong truyền dẫn. Một sợi quang từ CO sẽ nối tới splitter và đầu ra cung cấp cho nhiều kết nối. Có nhiều tỷ lệ chia cho splitter nhƣ 1:2; 1:4; 1:16; 1:32; 1:64. Tuy nhiên trong mạng PON hai tỷ lệ thƣờng đƣợc sử dụng là 1:32 và 1:64.

1.2. So sánh giữa AON và PON

Trong phần này, sẽ phân tích những đặc điểm giữa PON và AON dựa vào những các tiêu chí: tốc độ hỗ trợ tối đa, khoảng cách truyền dẫn, vấn đề giữa số lƣợng sợi quang sử dụng với số thuê bao, vấn đề vận hành bảo dƣỡng, vấn đề bảo mật, vấn đề cung cấp băng thông để từ đó rút ra kết luận vì sao PON lại đƣợc lựa chọn triển khai mạnh mẽ hơn AON.

 Xét về khoảng cách truyền dẫn và tốc độ hỗ trợ tối đa

Về khoảng cách: AON có thể hỗ trợ chiều dài tối đa 70 km và PON hỗ trợ tối đa 20 km từ OLT đến ONT. Tuy nhiên, nếu xét trên phạm vi phục vụ cho một vùng dân cƣ nhƣ một thành phố, thì mô ̣t OLT phía nhà cung cấp dịch vụ hoàn toàn có thể chọn lựa

OLT Splitter 1:4 Splitter 1:16 Splitter 1:16 Splitter 1:16 Splitter 1:16 ONT Đến 16 ONT tối đa 20 Km 1310 nm 1490 nm

(16)

Về tốc độ hỗ trợ tối đa: hiện nay AON hỗ trợ tối đa từ 100 Mbps-1 Gbps cho mỗi thuê bao ở hƣớng xuống, trong khi PON với chuẩn GPON có thể hỗ trợ lên đến 2,488 Gbps cho cả 2 hƣớng lên và hƣớng xuống (nếu không dùng splitter, triển khai theo mô hình point to point).

 Xét về số lượng sợi quang sử dụng với số thuê bao phục vụ

Về số lƣợng sợi quang sử dụng, có thể thấy một điều rõ ràng rằng số sợi quang đƣợc sử dụng trong AON nhiều hơn số sợi quang sử dụng trong PON nếu xét về chiều dài với cùng số thuê bao.

 Vấn đề bảo dưỡng

Các thiết bị nhƣ Acess Node trong AON cần cấp nguồn và số lƣợng sợi quang nhiều nên AON cần không gian chứa cáp lớn nếu nhƣ triển khai. Trong khi đó với PON, một sợi quang từ CO sẽ đƣợc chia sẻ với các thuê bao qua một thiết bị thụ động (không cần cấp nguồn) là Splitter.

 Vấn đề tăng băng thông cho thuê bao

Đối với AON việc tăng băng thông cho một thuê bao nếu có yêu cầu thì đơn giản hơn PON rất nhiều. Bởi vì, với AON, việc tăng băng thông của một thuê bao không ảnh hƣởng đến băng thông tối đa của các thuê bao khác, nhƣng với PON, nếu băng thông của một thuê bao tăng lên, đồng nghĩa rằng băng thông tối đa cho các thuê bao khác sẽ giảm xuống.

(17)

CHƢƠNG II: TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ PON

Nếu xét về phƣơng thức truy cập trong PON thì PON gồm có hai loại chính: truy cập phân chia theo thời gian (TDM/TDMA-PON) và truy cập phân chia theo bƣớc sóng (WDM/WDMA-PON). Trong bài báo cáo Đồ án Tốt nghiệp này, công nghệ truy cập PON đƣợc phân tích là TDM/TDMA PON với các công nghệ APON/BPON (ATM PON/Broadband PON, GPON(Gigabit PON) và EPON(Ethernet PON).

2.1. BPON chuẩn ITU-G.983

 Còn đƣợc gọi là APON (ATM PON).

 BPON sử dụng phƣơng pháp truy nhập phân chia theo thời gian cho các user, và sử dụng cell ATM trong truyền dẫn.

 Khoảng cách truyền dẫn từ các OLT đến các ONT là từ 10 – 20 km.

 BPON sử dụng bƣớc sóng 1310 nm cho hƣớng lên và 1490 nm cho hƣớng xuống. Riêng bƣớc 1550 nm đƣợc dùng cho luồng video ở hƣớng xuống.

 Theo khuyến nghị G 983.1 năm 1988 quy định tốc độ download cho BPON là 622,08 Mb/s và upload là 155,52 Mb/s. G 983.1 tháng 05/2005 qui định thêm tốc độ 1244,16 Mb/s cho hƣớng download. Đồng thời quy định rõ sử dụng hai sợi quang cho một kết nối, tuy nhiên vì bƣớc sóng sử dụng ở hƣớng xuống và hƣớng lên không giống nhau nên trên thực tế có thể dùng chung một sợi quang.

 Có ba loại thiết kế cho ODN (mạng phân phối quang) giữa OLT và các ONT phụ thuộc vào suy hao của ODN.

- Loại A: 5 – 20 dB - Loại B: 10 – 25 dB - Loại C: 15 – 30 dB

2.1.1. Kiến trúc các lớp

BPON gồm có hai lớp chính: lớp vật lý (Physical Medium Layer) và lớp hội tụ truyền dẫn (Transmission Convergence Layer). Trong lớp hội tụ truyền dẫn chia làm hai lớp con: lớp con thích nghi (Adaptation) và lớp con truyền dẫn PON (PON Transmission).

(18)

CHƢƠNG II: TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ PON

Hình 2.1 Kiến trúc các lớp trong BPON

 Lớp vật lý:

 Chính là ODN, kết nối vật lý giữa OLT và các ONT. Làm nhiệm vụ chuyển đổi quang - điện, điều chế, giải điều chế các bƣớc sóng 1310 nm, 1490 nm và 1550 nm đề truyền đi trên môi trƣờng vật lý.

 Đồng bộ giữa truyền và nhận chuỗi tín hiệu trên cơ sở đồng bộ giữa đầu thu và đầu phát.

 Các qui định cho lớp vật lý:

- Khoảng cách giữa OLT và ONU tối đa là 20km.

- Bƣớc sóng 1260 - 1360 nm cho hƣớng lên, 1480 - 1580 nm cho hƣớng xuống.

- Tốc độ bit: 155,52 hoặc 622,08 Mb/s cho hƣớng xuống và 155,52 Mb/s cho hƣớng lên.

- Dạng lƣu lƣợng: song hƣớng cho tín hiệu số và chỉ duy nhất hƣớng xuống cho tín hiệu analog dùng truyền video.

- Tỷ lệ splitter: hỗ trợ đến 1:32, giới hạn bởi suy hao của ODN.  Lớp hội tụ truyền dẫn (Transmission Convergence Layer - TC):

Có bốn chức năng chính là phân định tế bào, tạo chuỗi xác thực để kiểm soát lỗi header, tách tốc độ tế bào và tạo thích ứng cho khung truyền dẫn. TC gồm có hai lớp con:

 Lớp con thích nghi (Adaptation) là lớp phụ thuộc môi trƣờng truyền dẫn, đóng vai trò chức năng trung gian giữa lớp vật lý và lớp cao hơn. Nó sẽ chuẩn bị một cell ATM để truyền trong ba bƣớc. Đầu tiên đƣa các mẫu đồng bộ tới trƣờng payload. Tiếp theo, thêm vào trƣờng SN (Sequence Number) và SNP (Sequence Number Protection) nhằm cho đầu thu biết đã nhận đƣợc cell đúng thứ tự hay không. Cuối cùng thêm vào các byte giả sao cho vùng Payload đủ 48 byte vì một cell ATM luôn cố định 48 byte Payload và 5 byte Header.

Path layer

Transmission convergence layer Adaptation PON transmission

Physical medium layer Physical

Data Link Network Transport Session Presentation Application OSI BPON

(19)

 Lớp con truyền dẫn PON (PON Transmission) chịu trách nhiệm đồng bộ bit, đồng bộ byte. Đối với hƣớng truyền, thực hiện ghép header và sau đó chuyển khung truyền dẫn xuống lớp vật lý. Đối với hƣớng nhận, thực hiện tách header, sau đó chuyển dòng cell ATM lên lớp cao hơn để xử lý.

 Lớp tuyến (Path layer)

BPON dựa trên ATM là một kết nối có hƣớng, đồng nghĩa rằng phải có một kênh ảo trong quá trình truyền dữ liệu. Lớp tuyến sẽ quy định rõ điều này bằng hai thông số trong một khung ATM là VPI (Vitual Path Identifier) và VCI (Vitual Curcuit Identifier). Các cell ATM sẽ đƣợc chuyển mạch dựa trên hai thông số trên.

2.1.2. Định dạng khung truyền dẫn

Tùy theo tốc độ truyền dẫn mà một khung BPON cũng có cấu trúc khác nhau. Tuy nhiên chiều dài mỗi khung đều là 125 µs. Đối với tốc độ 155,52 Mb/s sẽ có 56 cell trong một khung (gồm có 53 cell ATM và 2 cell PLOAM - Physical Layer Operation, Administration and Maintenance). Đối với tốc độ 622,08 Mb/s (gấp 4 lần) thì số cell trong một khung sẽ tăng lên 4 lần là 224 cell (gồm 216 cell ATM và 8 cell PLOAM). Với khuyến nghị G 983.1 tháng 05/2005 có khuyến nghị thêm một tốc độ truyền dẫn ở hƣớng xuống là 1244,16 Mb/s (8 x 155,52 Mb/s) thì số lƣợng cell sẽ là 448 cell (có 432 cell ATM và 16 cell PLOAM).

Cell PLOAM đóng vai trò hết sức quan trọng trong hoạt động truyền dẫn của BPON. Ở khung hƣớng xƣớng, trong trƣờng hợp việc gán băng thông động (DBA) đƣợc thiết lập cell PLOAM qui định các Grant cho phép các ONT gửi một hay nhiều cell kế tiếp đến các TCON. ở các khung hƣớng lên, PLOAM chứa các thông tin do các ONT gửi cho các OLT về trạng thái hàng đợi, hỗ trợ các OLT trong việc gán băng thông động.

Có hai vấn đề gây nên sự khác biệt giữa khung hƣớng xuống và khung hƣớng lên: đối với khung hƣớng xuống, chính vì có đến ba tốc độ (155,52;622,08;1244,16 Mb/s) nên số lƣợng cell ATM cũng nhƣ cell PLOAM trong một khung thời gian cũng khác nhau nhƣ đã nói ở trên. Nhƣng đối với hƣớng lên, cần chú ý đến ở đây là cấu trúc một cell PLOAM hƣớng lên thì khác cấu trúc một cell PLOAM hƣớng xuống.

(20)

2.1.2.1. Khung ATM

Dữ liệu đƣợc truyền dẫn trong BPON đƣợc đóng vào các khung ATM. Vì thế cần

hiểu rõ cell ATM trƣớc khi nói đến khung truyền dẫn trong

BPON.

Hình 2.2: Cấu trúc khung ATM

Cell ATM có cấu trúc nhƣ hình trên, gồm có 48 Byte phần Payload chứa dữ liệu và 5 Byte header dùng để chuyển mạch các khung ATM. Có hai loại cell ATM là ATM UNI (cell do thiết bị đầu cuối gửi lên node chuyển mạch) và ATM NNI (cell giữa hai node chuyển mạch), cell ATM NNI không có trƣờng GFC. Trong Header của ATM có những thành phần sau:

 GFC (Generic Flow Control):Cung cấp chức năng mang tính chất nội bộ khi có nhiều thiết bị (thƣờng là thiết bị đầu cuối) chia sẻ chung một giao diện ATM. Trƣờng này thƣờng không đƣợc thiết lập, có giá trị mặc định là 0 (nhị phân: 0000).

 Virtual Path Identifier (VPI):Cùng với các VCI sẽ chịu trách nhiệm xác định đích kế tiếp khi các cell đƣợc chuyển qua một dãy các bộ chuyển mạch ATM trên đƣờng đến đích cuối cùng của nó.

 Virtual Channel Identifier (VCI):Cùng với các VPI sẽ chịu trách nhiệm xác định đích kế tiếp khi các cell đƣợc chuyển qua một dãy các bộ chuyển mạch ATM trên đƣờng đến đích cuối cùng của nó.

 Payload Type (PT): Bit đầu tiên của PT dùng để chỉ định cell chứa dữ liệu ngƣời dùng hay thông tin điều khiển (nếu cell chứa dữ liệu ngƣời dùng thì nó có giá trị là 0 và sẽ có giá trị 1 nếu cell chứa thông tin điều khiển). Bit thứ hai cho biết trạng thái tắc nghẽn (có giá trị là 0 nếu không tắc nghẽn và bằng 1 nếu có tắc nghẽn). Bit thứ ba xác định xem cell có phải là cell cuối cùng của chuỗi cell trong khung hay không (nếu có giá trị là 1 là cell cuối cùng của khung).

VPI I VPI Payload (48 bytes) Header (5 bytes) Payload (48 bytes) Payload (48 bytes) 53 by tes 8 bits GFC PT CLP HEC HEC PT CLP

ATM cell ATM UNI cell ATM NNI cell

VPI VPI I VPI VCI I VPI VCI I VPI

(21)

 Cell Loss Priority (CLP):Trong quá trình truyền đi trên mạng sẽ có hiện tƣợng tắc nghẽn xảy ra, CLP cho biết liệu cell nào sẽ đƣợc bỏ và cell nào sẽ tiếp tục đƣợc chuyển đi đến đích nếu có tắc nghẽn nghiêm trọng (CLP=0 đƣợc ƣu tiên và cell có CLP=1 sẽ phải bỏ trong trƣờng hợp này).

 Header Error Control (HEC):Là giá trị của checksum của 4 byte đầu tiên trong header, HEC có thể sửa đƣợc một lỗi trong 5 byte của header vì thế có thể giữ đƣợc các cell thay vì loại bỏ nó do lỗi.

2.1.2.2. Khung hƣớng xuống

Hình2.3: Cấu trúc khung hƣớng xuống của BPON

H E C M ES SA G E_ ID 20-26 4-10 12-18

Định dạng khung truyền hướng xuống tốc độ 155,52 Mb/s

53 bytes

125µs; 56 cell; 53 bytes mỗi cell

PLOAM 1 Cell PLOAM 2

ATM 1 Cell ATM 27 Cell ATM 28 Cell ATM 54 …….. ……..

1 khe thời gian

Định dạng Cell PLOAM hướng xuống

0000

Số thứ tự của byte trong khung

1 2-3 11 19 27 28-33 34 35 36 47 48

header

7 grants 7 grants 7 grants _{6 grants} 10 message field

MS G_ PO N_ ID C R C C R C C R C C R C ID E N T SY NC BI P C R C

(22)

Cell PLOAM (Physical Layer Operation, Administration and Maintenance): Quản lí và bảo dƣỡng lớp vật lý. Mỗi cell PLOAM theo sau nó là 27 cell ATM.

 5 byte header: 4 byte đầu tiên có giá trị cố định là 0000, byte HEC (header error correction) tiếp theo dùng để sửa lỗi (nếu có) của header nhằm xác định chính xác bit đầu tiên của khung PLOAM.

 Trƣờng IDENT cho biết liệu cell PLOAM này có phải là cell đầu tiên trong luồng hƣớng xuống hay không.

 Hai byte đồng bộ khung SYNC đƣợc sử dụng để các OLT phát một tín hiệu tham chiếu 1Khz đến các ONT.

 Một cell PLOAM có tổng cộng 27 grant, một bộ 6 hoặc 7 byte grant đƣợc bảo vệ bằng chuỗi CRC (cyclic redundancy check). Một grant sẽ cho ONT biết khi nào đƣợc gửi một chuỗi cell ATM dữ liệu hoặc cũng có thể yêu cầu ONT chạy lại tiến trình ranging.

 MSG_PON_ID sẽ nói cho một Node biết là cell này có phải là dành cho node ấy không và MSG_ID chỉ ra loại thông tin chứa trong trƣờng thông điệp 10 byte (10 message field) theo sau.

 10 message field: OLT sẽ nói cho ONT biết thời gian ranging đƣợc thay đổi hoặc cũng có thể dùng cho các cài đặt khác tùy thuộc vào mục đích.

 BIP (Bit-Interleaved Parity): giúp các ONT giám sát tỉ lệ bit lỗi bằng phƣơng pháp kiểm tra bit chẵn lẻ.

2.1.2.3. Khung hƣớng lên

Dù là cell ATM hay cell PLOAM ở hƣớng lên thì trƣớc cell đó đều có 3 byte overhead. Trong đó 4 bit đầu tiên có chức năng tạo một khoảng thời gian bảo vệ nhằm tránh xung đột trong trƣờng hợp quá trình Ranging có sự sai lệch. Đồng thời 3 byte overhead này tạo một khoảng thời gian cần thiết để các OLT đọc biên độ của tín hiệu, cung cấp một khoảng thời gian cho quá trình đồng bộ byte cho các cell ATM.

(23)

4 fixed bytes

10 message bytes 17 laser control field (LCF) bytes

16 receiver control field (RCF) bytes 53 bytes header header header 1 2 3 4 - 13 14 15 - 31 32 - 47 48 H E C M ES SA G E_ ID MS G_ PO N_ ID ID E N T C R C BI P

Trong khung hƣớng lên một cell PLOAM có cấu trúc nhƣ Hình 2.4.

Hình 2.4: Đi ̣nh da ̣ng cell PLOAM hƣớng lên

 Cũng có 5 byte header và tiếp theo là 1 byte IDENT để xác định bit đầu tiên của khung.

 MSG_PON_ID và MSG_ID cũng đƣợc dùng cho mục đích tƣơng tự nhƣ ở hƣớng xuống là xác định ONT và chỉ rõ loại thông tin điều khiển đƣợc chứa trong cell PLOAM này.

 10 message byte field: trƣờng này chứa các thông tin OAM (Operation, Administration and Maintenance) cũng nhƣ các báo hiệu khác của ONT gửi lên cho OLT. 10 byte này đƣợc kiểm soát lỗi dựa vào 1 byte CRC tiếp theo.

 LCF (laser control ﬁeld – trƣờng điều khiển laser): 17 byte của trƣờng này có nhiệm vụ cung cấp các thông tin về mức công suất laser và tỉ lệ suy hao, việc ấy giúp cho OLT điều chỉnh công suất phát laser hợp lí nhằm đảm bảo công suất cho đầu thu (phía ONT).

 RCF (receiver control ﬁeld – trƣờng điều khiển máy thu): 16 byte của trƣờng này sẽ giúp cho OLT biết đƣợc một mức ngƣỡng hợp lí nhằm điều chỉnh để phân biệt đƣợc hai mức tín hiệu 0 và 1 trong tín hiệu.

 BIP (bit-interleaved parity): có cùng nhiệm vụ nhƣ trƣờng BIP trong cell PLOAM ở hƣớng xuống, giám sát tỉ lệ lỗi bit trong cell này.

2.1.3. Bảo mật trong BPON

BPON có hai cơ chế bảo mật, hay nói cách khác các cơ chế này nhằm chắc chắn rằng luồng dữ liệu hƣớng xuống đƣợc nhận bởi ONT đƣợc chỉ định chứ không phải bất

4 fixed bytes

10 message bytes 17 laser control field (LCF) bytes

16 receiver control field (RCF) bytes 53 bytes header header header 1 2 3 4 - 13 14 15 - 31 32 - 47 48 H E C M ES SA G E_ ID MS G_ PO N_ ID ID E N T C R C BI P

(24)

ONT sẽ gửi một cell có chứa khóa (3 byte). Khóa này sẽ thay đổi theo chu kì mỗi giây.

 Mã hóa: luồng dữ liệu sẽ đƣợc mã hóa trong quá trình truyền nhận.

Tuy nhiên, có một vấn đề cần nói ở đây là cứ mỗi lần một ONT gửi dữ liệu lên thì sẽ có tín hiệu phản xạ quay trở lại nhƣ một bản sao của chính nó (phản xạ từ các splitter, mối hàn, connector), các ONT khác có thể phát hiện và kẻ xấu có thể phân tích dòng dữ liệu này. Và không có một qui chuẩn cụ thể cho vấn đề này, điều này chỉ đƣợc khuyến nghị rằng trong vấn đề thiết kế, làm sao cho phần suy hao do phản xạ từ các Splitter, connector và các mối hàn phải nhỏ hơn 32dB.

2.1.4. Chuyển mạch bảo vệ trong BPON

Luồng dữ liệu truyền trên một mạng cần đƣợc liên tục. Điều gì xảy ra nếu tuyến truyền dẫn vật lý mà ở đây là sợi quang bị đứt?

Chính điều ấy khẳng định sự cần thiết cho vấn đề chuyển mạch bảo vệ. Trong khuyến nghị G.983.1 có ba phƣơng án cho chuyển mạch bảo vệ trong PON.

 Mô hình 1: Splitter đƣợc dùng là loại 1:N, chỉ có một ngõ vào nhƣng có hai sợi

quang từ OLT kết nối đến splitter nên trƣớc khi đƣa vào splitter, hai sợi phải đƣợc ghép chung lại. Khi một trong hai sợi bị đứt, OLT sẽ điều khiển để lƣu lƣợng chuyển qua sợi còn lại.

 Mô hình 2: Tại OLT bây giờ đƣợc trang bị hai bộ thu phát tín hiệu, một bộ

hoạt động và một bộ dự phòng. Hai sợi quang từ hai bộ này kết nối đến splitter loại 2:N. Khi sợi quang đang hoạt động bị đứt, OLT sẽ điều khiển để bộ dự phòng hoạt động và lƣu lƣợng sẽ đƣợc chuyển qua kết nối giữa bộ này và splitter.

 Mô hình 3: Cả OLT và ONT đều đƣợc trang bị hai bộ thu phát tín hiệu, một bộ

hoạt động và một bộ dự phòng. Splitter bây giờ là loại 1:N nhƣng đƣợc lắp đặt hai bộ. Khi một trong hai sợi quang giữa OLT và splitter hoặc giữa splitter và ONT bị đứt thì OLT và ONT sẽ điều khiển cho bộ thu phát dự phòng hoạt động đồng thời sẽ có cảnh báo từ ONT cho OLT và ngƣợc lại trong trƣờng hợp này. Trong cả ba mô hình, nếu xảy ra một trong ba trƣờng hợp OLT, ONT hoặc các splitter bị hỏng thì dĩ nhiên lƣu lƣợng sẽ bị mất. Đồng thời, trong cả ba mô hình trên, khi sợi quang bị đứt thì chắc chắn rằng sẽ có một phần nào đó lƣu lƣợng sẽ bị mất. Việc lƣu lƣợng bị thất thoát nhiều hay ít tùy thuộc vào khả năng xử lí chuyển mạch nhanh hay chậm.

(25)

Hình 2.5: Mô hình chuyển ma ̣ch bảo vê ̣ trong PON 2.2. EPON chuẩn IEEE-802.3ah

EPON – Ethernet passive optical network – có thể hiểu là PON mà dữ liệu đƣợc đóng thành các khung và truyền đi dựa trên chuẩn Ethernet. Ở đây, bài báo cáo phân tích EPON dựa trên chuẩn IEEE-802.3ah với các mục chính: kiến trúc các lớp trong EPON, định dạng khung truyền dẫn, giao thức điều khiển đa điểm và vấn đề RANGING. Optical OLT ONT ONT Electrical Electrical Electrical 1:N splitter Mô hình 1 Mô hình 3 OLT ONT ONT Electrical Electrical 1:N splitter 1:N splitter Electrical E/O E/O O/E O/E O/E O/E Optical OLT ONT ONT Electrical Electrical Electrical 2:N splitter E/O E/O Mô hình 2 Optical

(26)

Điều đó đồng nghĩa rằng, dữ liệu của user sẽ đƣợc xử lý với giao thức của năm tầng trên không có gì khác so với khung truyền dẫn IP và ATM. Tuy nhiên hai lớp Physical layer và Data Link layer trong EPON sẽ đảm nhận trách nhiệm đóng gói dữ liệu thành định dạng truyền theo khung Ethernet, đồng thời thống nhất giữa truyền nhận để chuyển dữ liệu yêu cầu truy nhập của user ở hƣớng uplink và tách dữ liệu từ khung Ethernet chuyển đến cho user ở hƣớng downlink.

Hình 2.6: Kiến trúc các lớp trong EPON 2.2.1.1. Lớp vật lý

Trong lớp vật lí gồm có ba lớp con chính nhƣ sau.

 Lớp con mã hóa vật lý - The physical coding sublayer (PCS)

 Có thể hiểu lớp con này sẽ mã hóa chuỗi dữ liệu từ các lớp cao hơn trƣớc khi truyền đến hƣớng uplink. Đồng thời sẽ giải mã và kiểm soát tỷ số BER hợp lý trƣớc khi đƣa dữ liệu lên các lớp cao hơn với hƣớng downlink.

 Mã đƣợc sử dụng là mã khối Reed-Solomon, trong đó tầng này xử lý dữ liệu theo phƣơng thức nhƣ sau: đối với dữ liệu từ các tầng cao hơn đƣợc chuyển xuống, nó sẽ đƣa vào bộ đệm, sau đó tách ra từng khối 239 byte, thêm vào 16 byte parity để thành khối dữ liệu 255 byte trƣớc khi chuyển ra. Và nó sẽ làm điều ngƣợc lại đối với dữ liệu đƣợc chuyển đến, có nghĩa rằng, nó sẽ biến đổi khung 255 byte thành 239 byte dữ liệu trƣớc khi chuyển lên các tầng cao hơn.

 Nếu tỷ số bit lỗi ở quá trình nhận là 10-4 hoặc cao hơn, nó sẽ xử lý để tỷ số này giảm xuống còn 10-12 trƣớc khi đƣa lên tầng trên.

V ật l ý Reconciliation layer MAC client

Multipoint MAC Control (MPMC) layer MAC instance MAC instance MAC instance MAC client MAC client PCS PMD PMA GMII

OSI

“Ph

ys

ic

al

”

OSI

“

D

at

a Link

”

(27)

 Lớp con gắn với môi trường vật lý - The Physical Medium Attachment (PMA) Sublayer

 Việc quá nhiều một chuỗi bit “0” hay bit “1” liên tiếp đƣợc truyền đi có thể gây ra việc mất đồng bộ giữa đầu thu và đầu phát do không thể khôi phục xung clock chính xác.

 PMA sublayer sẽ khắc phục tình trạng trên bằng cách dùng mã hóa đƣờng dây 8b10b của Franaszek–Widmer.

 Phƣơng pháp mã hóa đƣờng dây này có thể hiểu nhƣ sau: với một chuỗi dữ liệu đƣợc chuyển từ tầng trên xuống, từng khối 8 bit trƣớc khi đƣợc đƣa qua PCS sublayer, nó sẽ đƣợc thêm vào 2 bit để chuyển thành khối 10 bit. Và nó sẽ làm điều ngƣợc lại trƣớc khi dữ liệu từ PCS sublayer chuyển lên.

 Trong EPON yêu cầu, tốc độ đƣờng downstream và upstream cân bằng là 1,0 Gbps. Sau khi mã hóa đƣờng dây, dữ liệu sẽ đƣợc tăng lên 25%, tƣơng ứng tốc độ bit lúc này là 1,25 Gbps.

 Lớp con phụ thuộc môi trường vật lý - The Physical Medium Dependent (PMD) Sublayer

 Lớp con này phụ trách kết nối sợi quang ra bên ngoài, đồng thời điều khiển laser và photodetector về công suất, khuếch đại, lƣợng tử trong quá trình truyền nhận.

 Các thông số trong EPON đƣợc PMD đảm nhận [1]

- Tốc độ bit: 1,25 Gb/s cả hai luồng hƣớng lên và hƣớng xuống.

- Bƣớc sóng: 1260 to 1360 nm chiều lên, 1480 to 1580 nm chiều xuống. - Loại lƣu lƣợng: tín hiệu số.

- Tỷ lệ chia: tối thiểu là 1:16, có thể nhiều hơn khi sử dụng sửa lỗi FEC (Forward Error Correction)

- Sự suy hao tối đa cho phép trong mạng phân phối quang ODN (Optical Distribution Network) là:

 Luồng hƣớng lên tại bƣớc sóng 1310 nm: 5 – 20 dB hoặc 10 – 24 dB tƣơng ứng với chiều dài của ODN là 10 hoặc 20 km.

 Luồng hƣớng xuống tại bƣớc sóng 1550 nm: 5 – 19.5 dB hoặc 10 – 23.5 dB tƣơng ứng với chiều dài ODN là 10 hoặc 20 km.

(28)

 Hƣớng xuống: -24/+4 dBm và -27/+4 dBm tƣơng ứng 10 và 20 km chiều dài ODN

 Hƣớng lên: -24/+2 dBm và -24/+7 dBm tƣơng ứng 10 và 20 km chiều dài ODN

- Tỷ lệ bit lỗi cho phép: 10-12 - Tỷ lệ suy hao laser: >6dB - Độ rộng phổ của laser:

 Hƣớng xuống tại 1490 nm: 0,6 và 0,3 nm tƣơng ứng 10 và 20 km chiều dài ODN.

 Hƣớng lên tại 1310 nm: 3,5 và 2,5 nm tƣơng ứng 10 và 20 km chiều dài ODN.

2.2.1.2. Giao diện môi trƣờng Gigabit độc lập (GMII) và Lớp con tái giải điềuchế (RS)

Có thể hiểu rằng, với mỗi yêu cầu truy cập dịch vụ của mỗi user, OLT sẽgán tƣơng ứng cho user một cặp MAC instance và MAC client.

 Lớp con tái giải điều chế(RS): sẽ thực hiện một chức năng đặc biệt tại OLT tƣơng ứng với việc định tuyến, đƣa các gói tin ra đúng mạng lõi dịch vụ tƣơng ứng mà user yêu cầu.

 Và trƣớc khi dƣ̃ liê ̣u đƣợc đƣa ra ma ̣ng lõi , GMII sẽ đảm nhận nhiệm vụ ghép tất cả các dữ liệu yêu cầu truy nhập từ các user chuyển lên để truyền ra các giao tiếp vật lý với tốc độ Gigabit.

Hay nói cách khác, GMII và RS đƣợc cấu hình để thực hiện nhiệm vụ của OLT.

2.2.1.3. Lớp liên kết dữ liệu  MAC ( Media Access Control)

MAC gồm có hai phần MAC (Media Access Control) và LLC (Logical Link Control).

- MAC bao gồm các thông số thống nhất giữa truyền và nhận giữa OLT và ONU, bao gồm cả cấu trúc khung sẽ đƣợc chuyển đi và khe thời gian đƣợc cấp phát.

- LLC là lớp con độc lập với môi trƣờng truyền. Đóng vai trò nhƣ là một giao tiếp giữa lớp liên kết dữ liệu và tầng mạng, làm nhiệm vụ framing bao gồm việc đóng gói ở hƣớng truyền và giải gói ở hƣớng nhận.

(29)

 Điều khiển MAC đa điểm - Multipoint MAC Control (MPMC)

Trong kiến trúc phân lớp của EPON có nhiều đối tƣợng MAC client, nhƣng chỉ có một đối tƣợng MPMC. Điều đó đồng nghĩa rằng với nhiều giao thức đa truy nhập từ các user sẽ đƣợc MPMC layer xử lý sao cho các yêu cầu truy nhập này trên đƣờng upstream sẽ không xung đột hoặc chồng lấp lên nhau.

Muốn làm đƣợc điều ấy thì trong lần khởi đầu đầu tiên sẽ có một quá trình tự động phát hiện và gán các LLID (logical link ID) cho một cặp MAC instance (của OLT) và MAC client (của ONU). Do đó mỗi LLID là duy nhất trong quá trình xử lý của MPMC layer.

2.2.2. Cấu trúc khung truyền dẫn của EPON

Hình 2.7: Cấu trúc khung truyền dẫn của EPON

Trong EPON, khung Ethernet đƣợc sử dụng để truyền dữ liệu với cấu trúc khung nhƣ Hình 2.7.  Trường 8 bytes Preamble/SFD Preamble / SFD Destination address Preamble / SFD Source address Preamble / SFD Length / type Data FCS 23 bit 24 bit Fixed 2 bytes Fixed 2 bytes Mode + LLID LLID 8 bits CRC 8 bits SLD 1 bytes LLID 7 bits Mode 1 bits

8 bytes 6 bytes 6 bytes 2 bytes 46 - 1500 4 bytes

(30)

- Mode + LLID: với 1 bit đầu tiên đƣợc định nghĩa nhằm phân biệt dữ liệu ngõ ra từ một OLT hay từ một ONU. Mode bit sẽ bằng 1 nếu là ngõ ra từ một ONU và bằng 0 nếu từ OLT.

- 7 bit LLID tiếp theo nhằm phân biệt các chỉ số LLID, nó có thể phân biệt 27=128 địa chỉ MAC Instance nguồn và đích và 28=256 MAC client.

- CRC (cyclic redundancy check) 8bit: kiểm soát lỗi cho trƣờng LLID.

 Trường 6 bytes Destination address và 6 bytes Source address

- Địa chỉ ở đây chính là địa chỉ MAC. Mỗi thiết bị đều có một địa chỉ MAC duy nhất.

- Cả Destination address và Source address đều có chiều dài là 48 bit (6 bytes), trong đó 1 bit đầu tiên để cho biết khung Ethernet là multicast/ broadcast (có giá trị bằng 1) hay unicast (có giá trị bằng 0)

- 47 bit tiếp theo đƣợc chia thành 2 khối: 23 bit cao đƣợc gán cho nhà sản xuất, 24 bit thấp hơn đƣợc gán cho thiết bị.

 Trường Length/ type 2 bytes nhằm mô tả loại loại khung OAM (Operation,

Administration and Maintenance) và chiều dài dữ liệu trong vùng Data

 Trường Data có chiều dài không cố định, tối thiểu là 46 bytes và tối đa là 1500

bytes.

 Trường FCS (Frame Check Sequence – trường kiểm tra lỗi) 4 bytes: bảo vệ

trƣờng dữ liệu bằng phƣơng pháp phát hiện lỗi trong khung dữ liệu nhận đƣợc.

2.2.3. Giao thức điều khiển đa điểm (MPMC) trong EPON

Có nhiều loại yêu cầu dịch vụ theo hƣớng uplink từ các user buộc các OLT phải phân bố khe thời gian và băng thông hợp lý, thông báo và điều khiển các ONU để chúng có thể truyền dữ liệu đúng khe thời gian đƣợc cấp.

Để làm việc ấy, giao thức điều khiển đa điểm MPMC (Multipoint MAC Control) trong EPON đƣợc thực hiện dƣới hai cơ chế của hai bản tin điều khiển MAC là GATE và REPORT.

 Bản tin điều khiển GATE – hướng xuống

- Khi một OLT trong mạng EPON khởi động lần đầu tiên, nó sẽ truyền các bản tin GATE theo hƣớng Downstream dạng broadcast nhằm phát hiện ra các ONU từ các bản tin phúc đáp ngƣợc lại.

- Với mỗi ONU sẽ có duy nhất giá trị LLID đƣợc gán.

- Từ Hình 2.8, cơ chế thực hiện một bản tin GATE đƣợc hiểu đơn giản nhƣ sau: OLT sẽ gán một cặp giá trị Start time và Stop time có chiều dài 64

(31)

bytes, đồng thời một giá trị xung đồng hồ tại thời điểm ấy sẽ đƣợc ghi vào bản tin này để thực hiện quá trình đồng bộ với các ONU.

- Có thể hiểu bản tin GATE là một bản tin mang tính chất phát hiện các liên kết luận lý và cấp phát một cách công bằng những yêu cầu trên liên kết luận lý ấy.

- Ngoài các bản tin GATE cấp phát khe thời gian cho các LLID xác định, OLT cũng sẽ phát ra các bản tin GATE ngẫu nhiên nhằm phát hiện các ONU mới kết nối vô hệ thống.

 Bản tin điều khiển REPORT – hướng lên

- Khi các ONT đƣợc xác định qua các liên kết luận lý LLID, điều ấy đồng nghĩa rằng từ đây các ONT có thể yêu cầu OLT cấp phát khe thời gian dựa trên việc báo cáo thông tin trạng thái của nó về hàng đợi và thông tin đồng hồ nhằm giúp tối ƣu quá trình đồng bộ.

- Để thực hiện đƣợc điều ấy, các bản tin điều khiển REPORT 64 bytes với cấu trúc nhƣ sau sẽ đƣợc gửi từ các ONT tới OLT.

- Từ Hình 2.9, thông tin của bản tin điều khiển REPORT với thông tin về hàng đợi nhằm cho OLT biết một yêu cầu hiện tại của nó về khe thời gian và băng thông mà nó cần. Đồng thời một giá trị xung đồng hồ tại thời điểm ấy sẽ đƣợc ghi vào bản tin để phục vụ cho việc đồng bộ.

- Sẽ có trƣờng hợp xung đột xảy ra do nhiều bản tin REPORT đƣợc gửi ra cùng lúc, lúc này các ONT sẽ không nhận đƣợc bản tin GATE cấp phát khe thời gian cần thiết để nó truyền dữ liệu. Trong trƣờng hợp ấy, nó sẽ gửi lại bản tin REPORT sau một khoảng thời gian ngẫu nhiên.

MA_CONTROL.request (GATE) MA_CONTROL.indication (GATE) MA_DATA.request (…)

MAC Control Client

Stop Start

Generate GATE message

OLT

MAC Control Client

ONT MAC MAC Control Clock register Timestamp GATE message Stop Start TS MAC MAC Control Laser ON/OFF Stop Start TS Write registers Clock register Slot start register Slot stop register

U ps tre am D at a Pa th

(32)

Hình 2.9: Bản tin REPORT hƣớng lên 2.3. GPON chuẩn ITU-G.984

Cũng nhƣ BPON và EPON, phần tiếp theo sẽ phân tích công nghệ GPON dựa vào các tiêu chí: Kiến trúc các lớp, định dạng khung tuyền dẫn và đi sâu phân tích nhiệm vụ các trƣờng trong khung truyền dẫn của GPON.

2.3.1. Kiến trúc các lớp trong GPON

GPON là từ viết tắt của Gigabit Passive Optical Network, là một trong số những công nghệ đƣợc sử dụng trong công nghệ FTTH nói chung và PON nói riêng.

Về cơ bản, GPON có hai lớp chính: lớp hội tụ truyền dẫn – Transmission Convergence (TC) Layer và lớp phụ thuộc môi trƣờng vật lí – Physical Medium Dependent (PMD) Layer. TC layer và PMD layer tƣơng ứng với hai lớp Data link và physical trong mô hình OSI.

MA_CONTROL.Indication (REPORT) MAC PHY MAC Control Q0 Q1 TS

Measure Round – Trip Time

Clock register RTT register

MAC Control Client

Q0 Q1 MA_CONTROL.request (REPORT) MAC PHY MAC Control Q0 Q1 TS Timestamp REPORT message Clock register

MAC Control Client

Q0 Q1

Generate REPORT message

(33)

Hình 2.10: Kiến trúc các lớp trong GPON

User ATM cells

Transmission Convergence (TC) Adaptationsublayer GPON TC Framing sublayer

GPON Physical Medium Dependent (PMD) Layer

Transmission Convergence (TC) Layer

ATM Client GEM Client

User Frame (Packets)

VPI/VCI Filter

ATM TC Adaptor

GEM TC Adaptor

Port ID, PTI (payload type) filter (TC) Adaptation sublayer Cel ls GE M Fra me s

Alloc-ID filter Alloc-ID filter

GEM partition ATM partition PLOAM partition Frame header GTC framing sublayer

Multiplexing/Demultiplexing based on frame location

Trans missi on Conv erge nce layer

(34)

2.3.1.1. GPON Physical Medium Dependent (PMD) Layer

Lớp này không giống nhƣ các lớp cao hơn, tất cả đều là phần cứng (hardware), không phải phần mềm (software). Và các qui định về thông số của lớp PMD trong GPON đƣợc định nghĩa trong chuẩn G.984.2:

 Tốc độ bit: 1,24416 hoặc 2,48832 Gb/s ở hƣớng xuống và 0,15552 hoặc 0,62208 hoặc 1,24416 hoặc 2,48832 Gb/s ở hƣớng lên.

 Bƣớc sóng: 1260 đến 1360 nm cho hƣớng lên và 1480 đến 1500 nm cho hƣớng xuống.

 Loại tín hiệu truyền: chỉ truyền tín hiệu số.

 Tỉ lệ chia của spliter: hỗ trợ đến 1:64 và phụ thuộc vào suy hao của ODN.

 Dựa vào suy hao của ODN, qui định có ba lớp: - Lớp A: 5 đến 20 dB

- Lớp B: 10 đến 25 dB - Lớp C: 15 đến 30 dB

 Chênh lệch suy hao lớn nhất giữa các ONU: 15 dB

 Khoảng cách sợi quang tối đa: 20 Km nếu dùng nguồn phát DFB (Distributed Feedback Laser) và 10 Km nếu dùng nguốn phát là Laser Fabry-Perot cho hƣớng lên.

 Công suất phát trung bình cho hƣớng xuống trên 1 sợi quang tại tốc độ 1,2Gb/s: - Lớp A: -4 đến 1 dBm

- Lớp B: 1 đến 6 dBm - Lớp C: 5 đến 9 dBm

 Công suất phát trung bình cho hƣớng xuống trên 1 sợi quang tại tốc độ 2,4Gb/s: - Lớp A: 0 đến 4 dBm

 Công suất phát trung bình cho hƣớng lên trên 1 sợi quang tại tốc độ 1,2 Gb/s: - Lớp A: -3 đến 2 dBm

- Lớp B: -2 đến 3 dBm - Lớp C: 2 đến 7 dBm

 Công suất phát trung bình cho hƣớng lên trên 1 sợi quang tại tốc độ 2,4 Gb/s: - Lớp A: 0 đến 4 dBm

(35)

 Tỉ lệ lỗi bit lớn nhất: 10-10

2.3.1.2. GPON Transmission Convergence (GTC) Layer

GTC Layer gồm có phân lớp đóng khung GTC (GTC framing sublayer) và phân lớp thích ứng hội tụ truyền dẫn (transmission convergence (TC) adaptation sublayer).

Để truyền lƣu lƣợng, trong GPON sử dụng khung GEM (GPON encapsulation- method) hoặc ATM. Ở định hƣớng đƣờng lên, lƣu lƣợng là đƣợc mang trong các T-conts (Transmission containers). Bất kì một T-cont đều có thể mang duy nhất lƣu lƣợng ATM hoặc duy nhất lƣu lƣợng GEM, không thể mang cả hai cùng lúc. Để kết hợp mang cả hai luồng lƣu lƣợng ATM và GEM trong cùng T-cont thì cần phải đƣợc hổ trợ bởi một vài loại ATM T-cont và T-cont khung GEM khác. Ở chế độ kép cả hai loại lƣu lƣợng đƣợc mang đi trong khoảng thời gian một khung 125µs.

 Phân lớp đóng khung GTC

Luồng GEM dài 125µs trong khung GPON.Khung dữ liệu của ngƣời dùng có chiều dài ngẫu nhiên. Giao thức đóng gói GEM hổ trợ phân mảnh các khung dữ liệu ngƣời dùng đồng thời chèn các mào đầu và giá trị PTI đƣợc đánh để nhận dạng ra các gói đã phân mảnh, nhằm giúp quá trình ghép lại dễ dàng và không mất mát dữ liệu. Quá trình đóng gói GEM đƣợc thực hiện qua các trƣờng hợp sau:

Hình 2.11 : Phân lớp đóng khung GTC

Trƣờng hợp nếu khung của ngƣời sử dụng trùng khớp hoặc ngắn hơn khung của GEM thì sẽ đƣợc đặt vào khung GEM mô tả hình 2.11a) và hình 2.11 c).

Trƣờng hợp nếu khung ngƣời sử dụng dài hơn khung GEM thì sẽ đƣợc phân thành các mảnh nhỏ để đặt vào khung GEM. Hình 2.11 b).

Chức năng:

 Ghép kênh và phân kênh:Phần tải PLOAM và GTC đƣợc ghép kênh vào khung

a) User Frame GEM Frame GEM Hader với PTI=001 GEM Hader với PTI=001

GEM Frame GEM Frame

GEM Hader với PTI=000 User Frame GEM Frame GEM Hader với PTI=001 b) c)

(36)

 Tạo mào đầu và giải mã: Mào đầu khung GTC đƣợc tạo và đƣợc định dạng trong khung đƣờng xuống. Cụm mào đầu đƣờng lên đƣợc giải mã. Ngoài ra, OAM đƣợc đặt vào là thực thi.

Chức năng định tuyến nội bộ dựa trên Alloc- ID: Đƣợc thực hiện cho dữ liệu

đến hoặc từ bộ thích ứng hội tụ truyền dẫn GEM (GEM TC Adapter) đi.  Phân lớp thích ứng hội tụ truyền dẫn

Phân loại: có ba loại [ITU-T G984.3]

 Bộ thích ứng hội tụ truyền dẫn ATM (ATM TC adapter)

 Bộ thích ứng hội tụ truyền dẫn GEM (GEM TC adapter)

 Bộ thích ứng giao diện điều khiển quản lý ONU (OMCI adapter)

2.3.2. Định dạng khung truyền dẫn trong GPON 2.3.2.1. Cấu trúc khung hƣớng xuống

Hình 2.12: Cấu trúc khung hƣớng xuống

Khung có chiều dài tối đa là 125µs bao gồm các khối điều khiển đƣờng xuống (PCBd) của 4 byte cho đƣờng truyền xuống và một phần tải.

Khối điều khiển đƣờng xuống (PCBd) gồm: Khối PCBd đƣợc OLT gởi đi đến các ONU bằng kiểu quảng bá.

 Trƣờng đồng bộ vật lý (Psync): Trƣờng này cố định 32 bit và là phần bắt đầu

của mỗi PCBd và nó giúp cho các ONU tìm ra phần bắt đầu của khung.

PSync 4 bytes Ident 4 bytes PLOAMd 13 bytes BIP 1 bytes PLend 4 bytes PLend 4 bytes US BW Map Nx 8 bytes

Khối điều khiển đƣờng xuống PCBd

PCBd n Phần tải n PCBd n+1 Phần tải n+1 PCBd n+2 Phần tế bào ATM Phần GEM, TDM và các phân đoạn 125us

(37)

 Trƣờng Ident có 32 bit:

Mục đích của trƣờng này là cho phép lựa chọn một số khung GPON của một nhóm lớn hơn và đƣợc gọi là siêu khung (superframe).

Trƣờng sửa lỗi FEC với bit đầu tiên để chỉ ra có hay không có lỗi trong liên kết đƣờng xuống. Bit thứ hai dùng trong lƣu trữ và 30 bit còn lại dùng cho bộ đếm siêu khung (superframe).

 Trƣờng thông tin vận hành, quản lý và bảo dƣỡng lớp vật lý PLOAM đƣờng

xuống (Physical layer Operation Administration and Maintenance) gồm:

- 1 byte để nhận dạng ngƣời nhận ONU (ONU-ID) - 1 byte dành cho nhận dạng bản tin.(Msg ID)

- 1 byte dành cho trƣờng kiểm tra độ dƣ thừa vòng để biết đƣợc sự toàn vẹn của khung

- Trƣờng CRC dùng kiểm tra lỗi

- 10 byte dành cho bản tin của trƣờng PLOAM

 Trƣờng xen kẻ bit chẵn lẻ BIP (Bit Interleaved Parity): 1 byte cho phép ONU

giám sát đƣợc tốc độ bit lỗi.

 Trƣờng chiều dài phần tải đƣờng xuốngPlend (payload length): dài 4 byte

ngoài làm chức năng bảo vệ bằng cách kiểm tra các độ dƣ thừa các bit theo chu kì (CRC) và phần này còn đƣợc truyền lại hai lần trong dữ liệu đƣờng xuống.

 Trƣờng USBW map là nơi mà OLT gởi tin hiệu quảng bá xuống tất cả ONU

gồm có các trƣờng: - Cấp phát ID - Trƣờng Flag FEC Ind 1 bit Reserve 1 bit Superframe counter 30 bits Trƣờng đồng bộ vật lý ONU ID 1 bytes Msg ID 1 bytes Bản tin 10 bytes CRC 1 bytes Cấu trúc trƣờng PLOAM