Mạng quang thụ động PON và công nghệ cáp quang thuê bao FTTH

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG PON 2.1 Giới thiệu mạng quang thụ động Passive Optical Network (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 được hiểu là mạng công nghệ quang truy nhập giúp tăng cường kết nối giữa các nốt mạng truy nhập của nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng. Công nghệ PON được biết tới đầu tiên đó là TPON (Telephony PON) được triển khai vào những năm 90, tiếp đó năm 1998, mạng BPON (Broadband PON) được 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 PON (GPON), 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 người sử dụng đầu cuối. Thành viên mới nhất trong gia đình PON đó là WDM PON (Wavelength Division Multiplexer PON). Trong công nghệ PON, tất cả thành phần chủ động giữa tổng đài CO (Central Office) và người sử dụng sẽ không còn tồn tại mà thay vào đó là các thiết bị quang thụ động, để điều hướng các lưu lượng trên mạng dựa trên việc phân chia năng lượng tới các điểm đầu cuối trên đường truyền. Vì vậy mà người ta gọi là công nghệ mạng quang thụ động (PON). Vị trí của hệ thống PON trong mạng truyền dẫn: Mạng quang thụ động PON là một dạng của mạng truy nhập quang. Mạng truy nhập hỗ trợ các kết nối đến khách hàng. Nó được đặt gần đầu cuối khách hàng và triển khai với số lượng lớn. Mạng truy nhập tồn tại ở nhiều dạng khác nhau do nhiều lí do khác nhau và PON là một trong những dạng đó. So với mạng truy nhập cáp đồng truyền thống, sợi quang hầu như không giới hạn băng thông (hàng THz). Việc triển khai sợi quang đến tận nhà thuê bao sẽ là mục đích phát triển trong tương lai. Với những ưu điểm vượt trội, mạng quang thụ động PON( Passive Optical Network) là một sự lựa chọn thích hợp nhất cho mạng truy nhập. 2.2 Tổng quan về công nghệ PON Mạng quang thụ động PON được trình bày như Hình 2.1, sử dụng phần tử chia quang thụ động trong phần mạng phân bố nằm giữa thiết bị đường truyền quang Otical Line Terminal (OLT) và thiết bị kết cuối mạng quang Optical network Unit (ONU). Nguồn: Công nghệ và chuẩn hóa PON Hình 2.1: Mô hình mạng quang thụ động Trong đó các thuật ngữ trong hình được chú thích như sau: Passive slitter : Bộ chia thụ quang thụ động Feeder Fiber : Cáp Feeder Central office : Văn phòng trung tâm Distribution fiber : Phân phối quang Management system : Hệ thống quản lý Passive splitter : Bộ chia 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 như sợi quang, các bộ tách /ghép quang thụ động, các đầu nối và các mối hàn quang. Các phần tử tích cực như OLT và các ONU đều nằm ở đầu cuối của mạng PON. Tín hiệu trong PON có thể được phân ra và truyền đi theo nhiều sợi quang hoặc được kết hợp lại và truyền đi trên một sợi quang thông qua bộ ghép quang, phụ thuộc tín hiệu đó đi theo hướng lên hay xuống của mạng quang thụ động PON. Mạng quang thụ động (PON) được xây dựng nhằm giảm số lượng các thiết bị thu, phát và sợi quang trong mạng thông tin quang FTTH. PON là một mạng điểm tới đa điểm, một kiến trúc PON bao gồm một thiết bị đầu cuối kênh quang được đặt tại trạm trung tâm của nhà khai thác dịch vụ và các bộ kết cuối mạng cáp quang ONU/ONT (Optical Network Unit/Optical Network Terminator) đặt tại gần hoặc tại nhà thuê bao. Giữa chúng là hệ thống phân phối mạng quang ODN (Optical Distribution Network) bao gồm cáp quang, các thiết bị tách ghép thụ động. 2.3 Đặc điểm của PON Đặc trưng của hệ thống PON là thiết bị thụ động phân phối sợi quang đến từng nhà thuê bao sử dụng bộ chia có thể lên tới 1:128. PON hỗ trợ giao thức ATM, Ethernet. PON hỗ trợ các dịch vụ thoại, dữ liệu và hình ảnh với tốc độ cao và khả năng cung cấp băng thông rộng. Trong hệ thống PON, băng thông được chia sẻ cho nhiều khách hàng điều này sẽ làm giảm chi phí cho khách hàng sử dụng. Cũng như khả năng tận dụng công nghệ WDM, ghép kênh phân chia theo dải tần, TDMA và cung cấp băng thông động để giảm thiểu số lượng cáp quang cần thiết để kết nối giữa OLT và bộ chia. PON thực hiện truyền dẫn 2 chiều trên 2 sợi quang hay 2 chiều trên cùng 1 sợi quang. PON có thể hỗ trợ mô hình: hình cây, sao, bus và ring. Thành phần cơ bản của mạng quang thụ động PON Sợi quang và cáp quang Sợi quang là một thành phần quan trọng trong mạng, nó tạo sự kết nối giữa các thiết bị. Hai thông số cơ bản của sợi quang là suy hao và tán sắc, tuy nhiên sợi quang ứng dụng trong mạng PON thì chỉ cần quan tâm đến suy hao không quan tâm đến tán sắc bởi khoảng cách truyền tối đa chỉ là 20 km và tán sắc thì ảnh hưởng không đáng kể. Do đó, người ta sử dụng sợi quang có suy hao nhỏ, chủ yếu là sử dụng sợi quang theo chuẩn G.652. Trên thực tế, để khắc phục nhược điểm trong truyền dẫn thông tin của cáp đồng, đã từ lâu  người ta đã cho ra đời cáp quang cùng với những tính năng ưu việt hơn. Không giống như cáp đồng truyền tín hiệu bằng điện, cáp quang dùng ánh sáng để truyền tín hiệu đi. Chính vì sự khác biệt đó, mà cáp quang ít bị nhiễu, tốc độ cao và có khả năng truyền xa hơn. Tuy vậy, phải đến giai đoạn hiện nay thì cáp quang mới được phát triển bùng nổ, nhất là trong lĩnh vực kết nối liên lục địa, kết nối xuyên quốc gia. Và việc sử dụng công nghệ truyền dẫn hiện đại này cũng đang bắt đầu thay thế dần mạng cáp đồng ADSL phục vụ trực tiếp đến người sử dụng. Cáp quang dài, mỏng với thành phần của thủy tinh trong suốt và bằng đường kính của một sợi tóc. Chúng được sắp xếp trong bó được gọi là cáp quang và được sử dụng để truyền tín hiệu trong khoảng cách rất xa. Cáp quang có cấu tạo gồm dây dẫn trung tâm là sợi thủy tinh hoặc plastic đã được tinh chế nhằm cho phép truyền đi tối đa các tín hiệu ánh sáng. Sợi quang được tráng một lớp lót nhằm phản chiếu tốt các tín hiệu. Cáp quang gồm các thành phần được thể hiện như hình 2.1. Lõi: Trung tâm phản chiếu của sợi quang nơi ánh sáng đi qua Cladding: Vật chất quang bên ngoài bao bọc lõi mà phản xạ ánh sáng trở lại vào lõi. Buffer coating: Lớp phủ dẻo bên ngoài bảo vệ sợi không bị hỏng và ẩm ướt Jacket: Hàng trăm hay hàng ngàn sợi quang được đặt trong bó gọi là cáp quang. Những bó này được bảo vệ bởi lớp phủ bên ngoài của cáp được gọi là jacket. Hình 2.2: Cấu tạo của sợi quang Độ suy hao thấp hơn các loại cáp đồng (tín hiệu bị mất trong cáp quang ít hơn trong cáp  đồng), nên có thể tải các tín hiệu đi xa hàng ngàn km. Dung lượng tải của cáp quang cao hơn, vì sợi quang mỏng hơn cáp đồng, nhiều sợi quang có thể được bó vào với đường kính đã cho hơn cáp đồng. Điều này cho phép nhiều kênh đi qua một sợi cáp. Cáp quang cũng sử dụng điện nguồn ít hơn, bởi vì tín hiệu trong cáp quang giảm ít, máy phát có thể sử dụng nguồn thấp hơn thay vì máy phát với điện thế cao được dùng trong cáp đồng. Cáp quang không cháy, vì không có điện xuyên qua cáp quang, do đó không có nguy cơ hỏa hạn xảy ra. Tuy vậy, cáp quang và các thiết bị đi kèm lại rất đắt tiền so với các loại cáp đồng Bộ tách / ghép quang Một mạng quang thụ động sử dụng một thiết bị thụ động để tách một tín hiệu quang từ một sợi quang sang một vài sợi quang và ngược lại. Thiết bị này là Coupler quang. Để đơn giản, một Coupler quang gồm hai sợi nối với nhau. Tỷ số tách của bộ tách có thể được điều khiển bằng chiều dài của tầng nối và vì vậy nó là hằng số. Hình 2.3 a: có chức năng tách 1 tia vào thành 2 tia ở đầu ra, đây là Coupler Y. Hình 2.3b là Coupler ghép các tín hiệu quang tại hai đầu vào thành một tín hiệu tại đầu ra. Hình 2.3c vừa ghép vừa tách quang và gọi là Coupler X hoặc Coupler phân hướng 2x2. Coupler có nhiều hơn hai cổng vào và nhiều hơn hai cổng ra gọi là Coupler hình sao. Coupler NxN được tạo ra từ nhiều Couper 2x2 Coupler được đặc trưng bởi các thông số sau: Tổn hao tách: Mức năng lượng ở đầu ra của Coupler so với năng lượng đầu vào (db). Đối với Coupler 2x2 lý tưởng, giá trị này là 3dB. Hình 2.3 minh hoạ hai mô hình 8x8 Coupler dựa trên 2x2 Coupler. Trong mô hình 4 ngăn (hình a), chỉ 1/6 năng lượng đầu vào được chia ở mỗi đầu ra. Hình(b) đưa ra mô hình hiệu quả hơn gọi là mạng liên kết mạng đa ngăn. Trong mô hình này, mỗi đầu ra nhận được 1/8 năng lượng đầu vào. Hình 2.3: Cấu hình cơ bản các loại Coupler a) c) b) I1 I1 I2 I1 I2 O2 O3 O2 O2 O3 Tổn hao chèn: Năng lượng tổn hao do sự chưa hoàn hảo của quá trình xử lý. Giá trị này nằm trong khoảng 0,1dB đến 1dB. Định hướng: Lượng năng lượng đầu vào bị rò rỉ từ một cổng đầu vào đến các cổng đầu vào khác. Coupler là thiết bị định hướng cao với thông số định hướng trong khoảng 40-50dB. Thông thường, các Coupler được chế tạo chỉ có một cổng vào hoặc một bộ kết hợp. Các Coupler loại này được sử dụng để tách một phần năng lượng tín hiệu, ví dụ với mục đích định lượng. Các thiết bị như thế này được gọi là “tap coupler”. a) Coupler 4 ngăn 8x8 b) Coupler 3 ngăn 8x8 Hình 2.4: Coupler 8x8 được tạo ra từ nhiều coupler cccocCoupler . 2.4.3. Đầu cuối đường quang OLT Optical line terminal OLT cung cấp giao diện quang về phía mạng phối quang ODN và cung cấp ít nhất một giao diện quang trên mạng ở phía mạng truy nhập quang. OLT có thể được đặt ở bên trong tổng đài hay tại một trạm từ xa. Sơ đồ khối chức năng của OLT được mô tả ở Hình 2.4. OLT có chức năng quản lý tất cả các hoạt động của PON. ONU và OLT cung cấp các dịch vụ truyền dẫn một cách trong suốt giữa UNI và SNI thông qua PON. 2.4.3.1 Phần lõi OLT Phần lõi OLT bao gồm các chức năng sau đây: Chức năng kết nối chéo được số hóa cung cấp các kết nối giữa phần mạng lõi/metro với phần mạng 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 được gán vào các dịch vụ khác nhau tại giao diện PON. Các thông tin khác như báo hiệu, OAM được trao đổi nhờ các VC trong VP. Chức năng ghép kênh truyền dẫn cung cấp việc truyền và ghép các kênh trên mạng phối quang ODN. Ví dụ như: dữ liệu đi từ mạng lõi/metro đến mạng phối quang ODN thì nó có nhiệm vụ là truyền, còn dữ liệu đi từ mạng phối quang ODN đến mạng lõi/metro thì nó phải được ghép kênh trước khi truyền đến mạng lõi/metro. Chức năng giao diện ODN cung cấp môi trường 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. Để có thể thực hiện cơ chế chuyển mạch bảo vệ và làm dễ dàng cho việc xử lí thiết bị thụ động bộ chia thì ở OLT sẽ có các chức năng giao diện ODN giống như phần mạng phối quang ODN. Giao diện ODN Đầu cuối đường dây PON xử lý chuyển đổi quang điện. Giao diện ODN chèn các tế bào ATM vào. 2.4.3.2 Phần dịch vụ OLT Phần dịch vụ OLT thì có chức năng cổng dịch vụ. Các cổng dịch vụ sẽ truyền ít nhất tốc độ ISDN và sẽ có thể cấu hình một số dịch vụ hay có thể hỗ trợ đồng thời hai hay nhiều dịch vụ khác nhau ví dụ như dịch vụ truyền hình độ phân giải cao (HDTV- high definition TV), game online, truyền dữ liệu... Bất kì khối TU (tributary unit) cũng đều cung cấp hai hay nhiều port có tốc độ 2 Mbps phụ thuộc vào cách cấu hình trên mỗi port. Khối TU có nhiều port có thể cấu hình mỗi port một dịch vụ khác nhau. Chức năng cổng dịch vụ SPF đóng vai trò giao tiếp với node dịch vụ. Chức năng cổng dịch vụ thực hiện chèn tế bào ATM vào tải trọng SDH đường lên, và tách tế bào ATM từ tải trọng SDH đường xuống. Chức năng này phải được dự phòng, do đó chuyển mạch bảo vệ là cần thiết. Mạng lõi MUX Giao diện ODN Giao diện ODN Phần lõi Phần dịch vụ SPF SPF . . . . . . . . Cấp nguồn OAM . . . Nguồn: Công nghệ truy nhập trong mạng NGN Hình 2.5: Các khối chức năng trong OLT 2.4.3.3 Phần chung OLT Phần chung OLT bao gồm chức năng cấp nguồn và chức năng hoạt động, quản lí và bảo dưỡng (OAM-Operation, Administration and Maintenance). Chức năng cấp nguồn chuyển đổi nguồn ngoài thành nguồn mong muốn. Chức năng OAM cung cấp các phương tiện để điều khiển hoạt động, quản lí và bảo dưỡng cho tất cả khối OLT. Trong điều khiển nội bộ, một giao diện có thể được cung cấp cho mục đích chạy thử và giao diện Q3 cho mạng truy nhập đến hệ thống đang hoạt động thông qua chức năng sắp xếp. 2.4.4 Đơn vị mạng quang ONU Optical network unit ONU đặt tại phía khách hàng, ONU cung cấp các phương tiện cần thiết để phân phối các dịch vụ khác nhau được điều khiển bởi OLT. Một ONU có thể chia làm 3 phần: phần lõi, phần dịch vụ và phần chung. 2.4.4.1 Phần lõi ONU ONU gồm giao diện ODN, cổng người dùng, chức năng ghép kênh/phân kênh truyền dẫn, dịch vụ và khách hàng, và cấp nguồn. a. Giao diện ODN Giao diện ODN xử lý các quá trình chuyển đổi quang điện. Giao diện ODN trích các tế bào ATM từ tải trọng PON đường xuống và chèn các tế bào ATM vào tải trọng đường lên trên cơ sở đồng bộ từ sự định thời khung đường xuống. b. Ghép kênh Chỉ các tế bào ATM có hiệu lực mới có thể đi qua bộ phận ghép kênh do đó nhiều VP có thể chia sẻ băng thông đường lên một cách hiệu quả. Phần lõi ONU bao gồm: Chức năng ghép khách hàng và dịch vụ có nhiệm vụ nếu ở về phía khách hàng thì dữ liệu sẽ đựơc ghép trước khi truyền đến ODN còn nếu về phía ODN thì các dịch vụ sẽ tách ra phù hợp cho từng user đã 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 các chức năng chuyển đổi quang/điện hay điện/quang 2.4.4.2. Phần dịch vụ ONU Phần dịch vụ ONU cung cấp các chức năng cổng của người dùng. Chức năng cổng của người dùng cung cấp cho các giao diện dịch vụ của khách hàng và bộ thích nghi của chúng là 64 kbps hay n×64 kbps. Chức năng này có thể được cấp bởi một khách hàng hay một nhóm khách hàng. Nó cũng cung cấp các chức năng chuyển đổi tín hiệu tùy thuộc giao diện vật lí (ví dụ như rung chuông, báo hiệu, chuyển đổi A/D và D/A). Chức năng cổng người dùng UPF tương thích các yêu cầu UNI riêng biệt. OAM có thể hỗ trợ một số các truy nhập và các UNI khác nhau. Các UNI này yêu cầu các chức năng riêng biệt phụ thuộc vào các đặc tả giao diện có liên quan. Tách các tế bào ATM đường xuống và chèn các tế bào ATM ở đường lên. Giao diện ODN MUX Phần lõi Cấp nguồn OAM ODN Phần dịch vụ UPF UPF . . . . . . . . Phần chung Khách hàng Nguồn: Công nghệ truy nhập trong mạng NGN Hình 2.6: Các khối chức năng trong ONU 2.4.4.3. Phần chung ONU Phần chung ONU bao gồm chức năng cấp nguồn và chức năng hoạt động, quản lí và bảo dưỡng OAM. Chức năng cấp nguồn cung cấp nguồn cho ONU (ví dụ như chuyển đổi xoay chiều thành một chiều hay ngược lại). Nguồn có thể được cấp tại chỗ hay từ xa. Nhiều ONU có thể chia sẻ nguồn. ONU có thể hoạt động bằng nguồn dự phòng. Chức năng OAM cung cấp các phương tiện để điều khiển các chức năng hoạt động, quản lí và bảo dưỡng cho tất cả khối của ONU. 2.4.5 ODN ODN cung cấp phương tiện truyền dẫn quang cho kết nối vật lý giữa OLT và ONU. Các ODN riêng lẻ có thể được kết hợp và mở rộng nhờ các bộ khuếch đại quang.ODN bao gồm các thành phần quang thụ động: Cáp và sợi quang đơn mode, Connector quang, thiết bị rẽ nhánh quang thụ động, bộ suy hao quang thụ động và mối hàn. Giao diện quang ODN cung cấp đường quang giữa OLT và ONU, mỗi đường quang được định nghĩa là khoảng ở giữa các điểm tham chiếu tại một cửa sổ bước sóng nhất định. Các giao diện quang ở trong Hình 2.7 là: Oru, Ord Giao diện quang tại điểm tham chiếu S/R giữa ONU và ODN cho đường lên và đường xuống tương ứng. Olu, Old Giao diện quang tại điểm tham chiếu R/S giữa OLT và ODN cho đường lên và đường xuống tương ứng. OLT ODN ONU1 ONUn . . . R/S Oru , Ord R/S Oru , Ord Olu , Old R/S Hình 2.7: Các giao diện quang Bộ chia (Splitter) Bộ chia/ghép quang thụ động (Splitter): Dùng để chia/ghép thụ động tín hiệu quang từ nhà cung cấp dịch vụ đến khách hàng và ngược lại giúp tận dụng hiệu quả sợi quang vật lý. Thành phần được nhắc chủ yếu trong mạng PON là bộ chia. Bộ chia là thiết bị thụ động, công dụng của nó là 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 tỉ bộ chia là 1:2; 1:4; 1:8; 1:16;1:32; 1:64; 1:128. Sử dụng một bộ chia có tỉ lệ chia lớn như 1:32 hay 1:64 hay có thể sử dụng 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. Hầu hết hệ thống PON sử dụng bộ chia bộ chia là 1:16 và 1:32. Tỉ lệ chia trực tiếp ảnh hưởng quỹ suy hao của hệ thống và suy hao truyền dẫn. Tỉ 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×logN (dB), nên nếu tỉ lệ bộ chia mà tăng lên gấp đôi thì suy hao sẽ tăng lên 3 dB. Cho phép gắn bên trong giá phân phối quang ODF, hay măng xông. Bảng 2. 1 : Liệt kê suy hao của các bộ chia (splitter) tương ứng. Số cổng Suy hao splitter(db) 2 3 4 6 8 9 16 12 32 15 64 18 Mô hình PON Có một vài mô hình thích hợp cho mạng truy cập như mô hình cây, vòng hoặc bus. Mạng quang thụ động PON có thể triển khai linh động trong bất kỳ mô hình nào nhờ sử dụng một tapcoupler quang 1:2 và bộ tách quang 1:N Ngoài những mô hình trên, PON có thể triển khai trong mô hình cây như là vòng đôi hoặc cây đôi hay cũng có thể là một phần của mạng PON được gọi là trung kế cây. Tất cả sự truyền dẫn trong mạng PON đều được thực hiện giữa OLT và các ONU. OLT ở tại tổng đài, kết nối truy nhập quang đến mạng đường trục (có thể là mạng IP, ATM ). ONU ở tại đầu cuối người sử dụng (trong giải pháp FTTH_Fiber To The Home, FTTB_Fiber To The Building) hoặc ở tại Curb trong giải pháp FTTC_Fiber To The Curb và có khả năng cung cấp các dịch vụ thoại, dữ liệu và video băng rộng. Mô hình cây ( sử dụng bộ chia 1:N) Mô hình bus sử dụng tapcoupler Mô hình vòng Tuỳ theo điểm cuối của tuyến cáp quang xuất phát từ tổng đài mà các mạng truy nhập thuê bao quang có tên gọi khác nhau như sợi quang đến tận nhà FTTH, sợi quangđếnkhu dân cư FTTC, FTTB. Mô hình cây Hình 2.8: Mô hình mạng quang thụ động PON 2.6 Phân loại PON Ở hướng xuống (từ OLT đến ONU), mạng PON là mạng điểm-đa điểm. OLT chiếm toàn bộ băng thông hướng xuống. Trong hướng lên, mạng PON là mạng đa điểm-điểm: Nhiều ONU truyền tất cả dữ liệu của nó đến một OLT. Đặc tính hướng của các bộ tách ghép thụ động là việc truyền thông của một ONU sẽ không được nhận biết bởi các ONU khác. Tuy nhiên, các luồng dữ liệu từ các ONU khác nhau được truyền cùng một lúc cũng có thể bị xung đột. Vì vậy, trong hướng lên, PON sẽ sử dụng một vài cơ chế riêng biệt trong kênh để tránh xung đột dữ liệu và chia sẻ công bằng tài nguyên và dung lượng trung kế. a. TDM PON Trong TDM PON, việc truyền đồng thời từ vài ONU sẽ gây ra xung đột khi đến bộ kết hợp. Để ngăn chặn xung đột dữ liệu, mỗi ONU phải truyền trong cửa sổ (khe thời gian) truyền của nó. Một thuận lợi lớn của TDM PON là tất cả các ONU có thể hoạt động cùng một bước sóng, OLT cũng chỉ cần một bộ thu đơn. Bộ thu phát ONU hoạt động ở tốc độ đường truyền, thậm chí băng thông có thể dùng của ONU thấp hơn. Tuy nhiên, đặc tính này cũng cho phép TDM PON đạt hiệu quả thay đổi băng thông được dùng cho từng ONU bằng cách thay đổi kích cở khe thời gian được ấn định hoặc thậm chí sử dụng ghép kênh thống kê để tận dụng hết băng thông được dùng của mạng PON. Trong mạng truy cập thuê bao, hầu hết các luồng lưu lượng lên và xuống không phải là khách hàng đến khách hàng. Vì vậy, điều này dường như là hợp lý để tách kênh lên và xuống. Một phương pháp tách kênh đơn giản có thể dựa trên ghép kênh phân chia không gian mà nó tách, PON được cung cấp theo hướng truyền lên xuống. Để tiết kiệm cho sợi quang và giảm chi phí sửa chữa và bảo quản, một sợi quang có thể được sử dụng cho truyền theo hai hướng. Trong trường hợp này, hai bước sóng được dùng là: hướng lên là 1310nm, hướng xuống là 1550nm. Dung lượng kênh ở mỗi bước sóng có thể phân phối linh động giữa các ONU. Nguồn: Công nghệ và chuẩn hóa PON Hình 2.9: Mạng PON sử dụng một sợi quang Các thuật ngữ trong hình được chú thích như sau: ONU: Offtical Network Unit-Đơn vị mạng quang Data transmitsion: Dữ liệu vào Data Receiver: Dữ liệu ra WDM: Ghép kênh phân chia theo bước sóng Ghép kênh phân chia theo thời gian là phương pháp được ưu tiên hiện nay cho việc chia sẻ kênh quang trong mạng truy cập khi mà nó cho phép một bước sóng đơn ở hướng lên và bộ thu phát đơn ở OLT đã làm cho giải pháp này có ưu thế hơn về chi phí đầu tư. b. WDM-PON WDM-PON là mạng quang thụ động sử dụng phương thức đa ghép kênh phân chia theo bước sóng thay vì theo thời gian như trong phương thức TDMA. OLT sử dụng một bước sóng riêng rẽ để thông tin với mỗi ONT theo dạng điểm điểm. Mỗi một ONU có một bộ lọc quang để lựa chọn bước sóng tương thích với nó, OLT cũng có một bộ lọc cho mỗi ONU. Nhiều phương thức khác đã được tìm hiểu để tạo ra các bước sóng ONU như là: Sử dụng các khối quang có thể lắp đặt tại chỗ lựa chọn các bước sóng ONU, Dùng các laser điều chỉnh được, và cắt phổ tín hiệu. Các phương thức thụ động mà theo đó OLT cung cấp tín hiệu sóng mang tới các ONU. Sử dụng tín hiệu hướng xuống để điều chỉnh bước sóng đầu ra của laser ONU. Cấu trúc của WDM-PON được mô tả như trong Hình 2.9. Trong đó, WDM-PON có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau như là FTTx, các ứng dụngcho đường dây thuê bao số tốc độ rất cao VDSL và các điểm truy nhập vô tuyến từ xa. Các bộ thu WDM-PON sử dụng kỹ thuật lọc quang mảng ống dẫn sóng. Một bộ lọc quang ống dẫn sóng có thể được đặt ở môi trường trong nhà hoặc ngoài trời. Giải pháp WDM yêu cầu một bộ thu điều khiển được hoặc là một mảng bộ thu ở OLT để nhận các kênh khác nhau. Thậm chí nhiều vấn đề khó khăn cho các nhà khai thác mạng là kiểm kê từng bước sóng của ONU: thay vì chỉ có một loại ONU, thì có nhiều loại ONU dựa trên các bước sóng Laser của nó. Mỗi ONU sẽ sử dụng một laser hẹp và độ rộng phổ điều khiển được cho nên rất đắt tiền. Mặc khác, nếu một bước sóng bị sai lệch sẽ gây ra nhiễu cho các ONU khác trong mạng PON. Việc sử dụng Laser điều khiển được có thể khắc phục được vấn đề này nhưng quá đắt cho công nghệ hiện tại. Với những khó khăn như vậy thì WDM không phải là giải pháp tốt cho môi trường hiện nay. Ưu điểm chính của WDM-PON là nó khả năng cung cấp các dịch vụ dữ liệu theo các cấu trúc khác nhau (DS1/E1/DS3, 10/100/1000Base Ethernet) tùy theo yêu cầu về băng thông của khách hàng. Tuy nhiên, nhược điểm chính của WDM-PON là chi phí khá lớn cho các linh kiện quang để sản xuất bộ lọc ở những bước sóng khác nhau. WDM-PON cũng được triển khai kết hợp với các giao thức TDMA PON để cải thiện băng thông truyền tin. WDM-PON được phát triển mạnh ở Hàn Quốc. Nguồn: Công nghệ và chuẩn hóa PON Hình 2.10: Cấu trúc của WDM-PON Các thuật ngữ được chú thích trong hình: CO :Center office : Văn phòng trung tâm FTTH: Fiber to the home-Cáp quang thuê bao FTTB : Fiber to the building- Cáp quang tới tòa nhà FTTC : Fiber to the curt- cáp quang tới khu dân cư VDSL switch: Thiết bị định tuyến đường dây thuê bao số tốc độ rất cao Wireless Access point : Điểm truy câp Wireless c. CDMA-PON Công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA cũng có thể triển khai trong các ứng dụng PON. Cũng giống như WDM-PON, CMDA-PON cho phép mỗi ONU sử dụng khuôn dạng và tốc độ dữ liệu khác nhau tương ứng với các nhu cầu của khách hàng. CDMA PON cũng có thể kết hợp với WDM để tăng dung lượng băng thông. CDMA PON truyền tải các tín hiệu khách hàng với nhiều phổ tần truyền dẫn, trải trên cùng một kênh thông tin. Các ký hiệu từ các tín hiệu khác nhau được mã hóa và nhận dạng thông qua bộ giải mã. Phần lớn công nghệ ứng dụng trong TDMA PON tuân theo phương thức trải phổ chuổi trực tiếp. Trong phương thức này mỗi ký hiệu 0, 1 (tương ứng với mỗi tín hiệu) được mã hóa thành chuỗi ký tự dài hơn và có tốc độ cao hơn. Mỗi ONU sử dụng trị số chuỗi khác nhau cho kí tự của nó. Để khôi phục lại dữ liệu, OLT chia nhỏ tín hiệu quang thu được sau đó gửi tới các bộ lọc nhiễu xạ để tách lấy tín hiệu của mỗi ONU. Ưu điểm chính của CDMA PON là cho phép truyền tải lưu lượng cao và có tính năng bảo mật nổi trội so các chuẩn PON khác. Tuy nhiên, một trở ngại lớn trong CDMA-PON là các bộ khuếch đại quang đòi hỏi phải được thiết kế sao cho đảm bảo tương ứng với tỷ số tín hiệu/tạp âm (S/N). Với hệ thống CDMA-PON không có bộ khuếch đại quang thì tùy thuộc vào tổn hao bổ sung trong các bộ chia, bộ xoay vòng, các bộ lọc mà hệ số chia OLT/ONU chỉ là 1:2 hoặc 1:8. Trong khi đó, với bộ khuyếch đại quang hệ số này có thể đạt 1:32 hoặc cao hơn. Bên cạnh đó, các bộ thu tín hiệu trong CDMA-PON là khá phức tạp và giá thành tương đối cao. Chính vì những nhược điểm này nên hiện tại CDMA-PON chưa được phát triển rộng rãi. So sánh PON với công nghệ mạng quang thụ động AON Mạng quang chủ động (AON): Để phân phối tín hiệu, mạng quang chủ động sử dụng các thiết bị sử dụng điện để phân tích dữ liệu như một chuyển mạch, router hoặc multiplexer. Dữ liệu từ phía nhà cung cấp của khách hàng nào sẽ chỉ được chuyển đến khách hàng đó. Dữ liệu từ phía khách hàng sẽ tránh xung đột khi truyền trên đường vật lý chung bằng việc sử dụng các bộ đệm của các thiết bị chủ động. Từ năm 2007, hầu hết các các hệ thống mạng quang chủ động được gọi là ethernet chủ động. Ethernet chủ động sử dụng các chuyển mạch ethernet quang để phân phối tín hiệu, do đó sẽ kết nối các căn hộ khách hàng với nhà cung cấp thành một hệ thống mạng Ethernet khổng lồ giống như một mạng máy tính ethernet thông thường ngoại trừ mục đích của chúng là kết nối các căn hộ và các tòa nhà với nhà cung cấp dịch vụ Mỗi tủ chuyển mạch có thể quản lý tới 1000 khách hàng, thông thường là 400-500 khách hàng. Các thiết bị chuyển mạch này thực hiện chuyển mạch và định tuyến dựa vào lớp 2 và lớp 3. Một nhược 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 ngược 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 rất đắt, không phù hợp với việc triển khai đại trà cho mạng truy cập. Phân tích ưu nhược điểm và lựa chọn công nghệ: nhiều chuẩn mạng truy nhập FTTx khác nhau và không tương thích với nhau. Vì thế có sự linh hoạt về lựa chọn công nghệ, tuy nhiên nó cũng mang lại rất nhiều rủi ro khi quyết định đầu tư vào FTTx. Vì đây là một dịch vụ mạng tính chất kỹ thuật cao nên yếu tố công nghệ mang tính chất quyết định sống còn. Việc lựa chọn công nghệ nào sẽ phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: giá thành, độ phức tạp, khả năng và quy mô triển khai, sự chuẩn hóa về thiết bị. Giữa hai công nghệ mạng quang trực tiếp và mạng quang chia sẻ ta sẽ dùng mạng quang chia sẻ do mạng quang trực tiếp có chi phí rất lớn. Hơn nữa việc triển khai mạng quang trực tiếp tại thời điểm này còn gặp một số vấn đề cả về kỹ thuật và tài chính.Trong mạng quang chia sẻ ta dùng công nghệ mạng thụ động (PON) do công nghệ mạng chủ động (AON) có những hạn chế về thiết bị chuyển mạch dẫn đến hạn chế về tốc độ của toàn mạng. Hiện tại những chuyển mạch quang tốc độ cao có giá thành rất cao chỉ phù hợp cho thiết kế mạng lõi. Nguồn: Passive Optical Networks Principles and Practice, October 2007. Hình 2.11: So sánh mạng quang chủ động và mạng quang thụ động PON: Mạng quang chủ động AON: Mạng quang bị động OLT: Đầu cuối đường quang ONT: Đầu cuối đường quang Kết luận Các nội dung Chương 2 đã trình bày tổng quan về mạng truy nhập quang thụ động PON, và cấu trúc cơ bản của nó. Chương tiếp theo sẽ trình bày các công nghệ PON được sử dụng trong mạng cáp quang thuê bao FTTH, nhằm khai thác khả năng tốt nhất của mạng truy nhập quang thụ động. Đó là các công nghệ APON, BPON, GPON, và EPON. Ngoài ra, còn có các công nghệ WDM PON, TDM PON, CDMA PON.