Chuyên đề Mạng truy nhập quang đến thuê bao GPON

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆN KHOA HỌC KỸ THUẬT BƯU ĐIỆN Giới thiệu chuyên đề: MẠNG TRUY NHẬP QUANG TỚI THUÊ BAO GPON Hà nội –2007 Nội dung 1 Giới thiệu phạm vi và lý do lựa chọn chuyên đề............................................................ 5 2 Giới thiệu mạng truy nhập quang tới thuê bao (FTTH) và GPON ................................ 6 2.1 Khái niệm và ưu điểm FTTH .................................................................................6 2.2 Kiến trúc và thành phần của mạng PON ................................................................6 2.3 Các chuẩn mạng PON ............................................................................................7 2.4 GPON .....................................................................................................................8 3 Định nghĩa và viết tắt ..................................................................................................... 8 3.1 Định nghĩa ..............................................................................................................8 3.2 Các chữ viết tắt.....................................................................................................11 4 Kiến trúc mạng truy nhập quang .................................................................................. 14 4.1 Kiến trúc mạng .....................................................................................................14 4.1.1 FTTB ..........................................................................................................15 4.1.1.1 FTTB cho MDU ......................................................................................15 4.1.1.2 FTTB cho doanh nghiệp..........................................................................15 4.1.2 FTTC và FTTCab .......................................................................................16 4.1.3 FTTH ..........................................................................................................16 4.2 Cấu hình mạng tham chiếu ..................................................................................16 4.2.1 Giao diện nốt dịch vụ SNI ..........................................................................17 4.2.2 Giao diện mạng người dùng UNI ...............................................................18 4.2.3 Các dịch vụ .................................................................................................18 4.2.4 Thiết bị đầu cuối đường dây OLT ..............................................................19 4.2.5 Thiết bị đầu cuối mạng ONU/ONT ............................................................20 5 Các đặc tính cơ bản của GPON .................................................................................... 20 5.1 Tốc độ bit .............................................................................................................20 5.2 Khoảng cách logic ................................................................................................20 5.3 Khoảng cách vật lý ...............................................................................................21 5.4 Khoảng cách sợi quang chênh lệch ......................................................................21 5.5 Tỉ lệ chia ...............................................................................................................21 6 Cấu trúc phân lớp của mạng quang GPON .................................................................. 21 6.1 Lớp phụ thuộc phương tiện vật lý PMD ..............................................................21 6.1.1 Tốc độ tín hiệu danh định ...........................................................................21 6.1.2 Phương tiện vật lý và phương thức truyền .................................................22 6.1.3 Tốc độ bit....................................................................................................22 6.1.3.1 Tốc độ đường xuống ...............................................................................22 6.1.3.2 Tốc độ đường lên ....................................................................................22 6.1.4 Mã hóa đường dây ......................................................................................22 6.1.5 Bước sóng hoạt động ..................................................................................23 6.1.5.1 Đường xuống ...........................................................................................23 6.1.5.2 Đường lên ................................................................................................23 6.1.6 Nguồn phát tại giao diện Old và giao diện Oru ...........................................23 6.1.6.1 Các loại nguồn phát .................................................................................23 6.1.6.2 Đặc tính phổ ............................................................................................23 6.1.6.3 Công suất phát trung bình .......................................................................23 6.1.6.4 Tỉ lệ chênh lệch logic ..............................................................................24 6.1.6.5 Hệ số phản xạ lớn nhất của thiết bị đo tại bước sóng máy phát .............24 6.1.7 Đường truyền quang giữa giao diện Old/Oru và giao diện Ord/Olu ..............25 6.1.7.1 Dải suy hao ..............................................................................................25 6.1.7.2 Suy hao phản xạ quang nhỏ nhất của mạng cáp tại điểm tham chiếu R/S bao gồm các connector ..........................................................................................25 6.1.7.3 Hệ số phản xạ riêng lẻ giữa điểm tham chiếu S và R .............................25 6.1.8 Bộ thu tại giao diện Ord và Olu....................................................................25 6.1.8.1 Độ nhạy thu nhỏ nhất ..............................................................................25 6.1.8.2 Mức quá tải nhỏ nhất ...............................................................................26 6.1.8.3 Mất mát đường truyền quang lớn nhất ....................................................26 6.1.8.4 Khoảng cách logic lớn nhất .....................................................................26 6.1.8.5 Khoảng cách logic chênh lệch lớn nhất ..................................................26 6.1.8.6 Hệ số phản xạ lớn nhất của bộ thu thiết bị đo tại bước sóng máy thu ....26 6.1.8.7 Chênh lệch mất mát đường truyền quang ...............................................26 6.1.8.8 Hiệu năng Jitter .......................................................................................26 6.1.8.9 Khả năng chống các bit liên tiếp giống nhau (CID immunity) ...............27 6.1.8.10 Khả năng chịu công suất phản xạ ..........................................................27 6.1.8.11 Chất lượng truyền dẫn và hiệu năng lỗi ................................................27 6.2 Lớp hội tụ truyền dẫn GTC ..................................................................................27 6.2.1 Tổng quan ...................................................................................................27 6.2.2 Ngăn xếp giao thức trong mặt phẳng điều khiển/quản lý (C/M planes) ....29 6.2.3 Ngăn xếp giao thức trong mặt phẳng người dùng ......................................30 6.2.4 Các chức năng chính hệ thống GTC ..........................................................32 6.2.4.1 Điều khiển truy nhập phương tiện (Media access control flow) .............32 6.2.4.2 Đăng ký ONU .........................................................................................33 6.2.5 Các chức năng của các phân lớp trong hệ thống GTC ...............................33 6.2.5.1 Phân lớp đóng khung GTC (GTC framing sub-layer) ............................33 6.2.5.2 Phân lớp thích ứng GTC và giao diện với các thực thể lớp trên .............33 6.2.6 Dòng lưu lượng và chất lượng dịch vụ QoS ..............................................34 6.2.6.1 Mối liên hệ giữa GTC và quản lý dữ liệu người dùng ............................34 6.2.6.2 Khái niệm cấp phát tài nguyên ................................................................34 6.2.6.3 Đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS ...........................................................35 6.2.7 Cấp phát băng tần động DBA ....................................................................36 6.2.7.1 Yêu cầu cấp phát băng tần động .............................................................36 6.2.7.2 Các loại T-CONT và tham số hoạt động .................................................37 6.2.7.3 Hoạt động DBA .......................................................................................37 6.2.7.4 Khía cạnh quản lý ....................................................................................38 6.2.8 Cấu trúc khung GTC ..................................................................................38 6.2.8.1 Cấu trúc khung đường xuống ..................................................................39 6.2.8.2 Cấu trúc khung đường lên .......................................................................40 7 Bảo vệ đối với phần mạng quang thụ động PON ......................................................... 41 7.1 Các dạng chuyển mạch bảo vệ .............................................................................41 7.2 Đặc điểm và cấu hình mạng GPON kép ..............................................................42 7.2.1 Các kiểu cấu hình chuyển mạch .................................................................42 7.2.2 Các đặc điểm ..............................................................................................45 7.3 Các yêu cầu đối với chuyển mạch bảo vệ ............................................................45 7.4 Các trường thông tin yêu cầu trong khung OAM ................................................45 7.5 Bảo mật ................................................................................................................45 8 Phụ lục A - Các thông số giao diện quang đường xuống tốc độ 1244 Mbit/s ............. 46 9 Phụ lục B - Các thông số giao diện quang đường xuống tốc độ 2488 Mbit/s ............. 47 10 Phụ lục C Các thông số giao diện quang cho đường lên tốc độ 155 Mbit/s ................ 48 11 Phụ lục D – Các thông số giao diện quang cho đường lên tốc độ 622 Mbit/s ............. 49 12 Phụ lục E- Các thông số giao diện quang cho đường lên tốc độ 1244 Mbit/s ............. 51 13 Phụ lục F – Các thông số giao diện quang cho đường lên tốc độ 1244 Mbit/s sử dụng cơ chế định mức công suất phát cho ONU ........................................................................ 53 14 Phụ lục G – Mặt nạ sơ đồ mắt cho tín hiệu đường xuống ............................................ 54 15 Phụ lục H – Mặt nạ sơ đồ mắt cho tín hiệu đường lên ................................................. 55 16 Phụ lục I – Jitter đối với ONU ..................................................................................... 56 Chuyên đề mạng truy nhập quang đến thuê bao GPON Trang 5/56 1 Giới thiệu phạm vi và lý do lựa chọn chuyên đề Mạng truy nhập quang thụ động (PON) bao gồm các đường quang đi từ nhà cung cấp dịch vụ được dùng chung cho một số khách hàng. Sẽ có một đường quang đi đến một nhóm khách hàng ở gần nhau về mặt địa lý. Tại đây đường quang dùng chung này sẽ được chia tách thành các đường quang riêng biệt đi đến từng khách hàng. Với mạng PON, tín hiệu được truyền bằng tia laser và được gửi tới đích không cần các cấu kiện điện tử tích cực trong mạng ngoại vị. Nhà cung cấp mạng do đó có thể tiết kiệm được chi phí đáng kể bằng việc dùng chung các sợi quang trong mạng nội hạt, dùng chung thiết bị trong tổng đài. Tháng 6/2007 vừa qua ITU phối hợp với Telcordia tổ chức thử nghiệm các thiết bị mạng quang thụ động tốc độ gigabit GPON được xây dựng dựa trên khuyến nghị ITU-T G.984. Công nghệ mạng quang thụ động PON được sử dụng trong môi trường mạch vòng nội hạt để kết nối cho các khu dân cư và khu văn phòng vào mạng toàn quang một cách hiệu quả. Cuộc thử nghiệm đã trình diễn khả năng phối hợp hoạt động của thiết bị GPON, đây chính là tính năng nổi trội giúp giảm chi phí thiết bị. Các nhà sản xuất thiết bị Alphion, Cambridge Industries Group, Hitachi, Huawei, iamba Networks, LS Cable, PMC-Sierra, Tellabs, Terawave Communications, TXP Corporation, XAVi Technologies, ZTE Corporation cũng đã thực hiện trình diễn khả năng phối hợp hoạt động dịch vụ 3 trong 1 triple-play. Bộ khuyến nghị G.984 của ITU đưa ra tiêu chuẩn cho mạng PON tốc độ gigabit (GPON) là phiên bản mới nhất đối với công nghệ mạng PON. Mạng GPON có dung lượng ở mức gigabit cho phép cung cấp các ứng dụng video, truy nhập internet tốc độ cao, multimedia, và các dịch vụ băng thông rộng. Cùng với dung lượng mạng gia tăng, tiêu chuẩn mới này đưa ra khả năng xử lý IP và Ethernet hiệu quả hơn. Chuyên đề này giới thiệu về mạng truy nhập quang có khả năng hỗ trợ băng tần theo yêu cấu cho các dịch vụ dành cho gia đình và doanh nghiệp với tốc độ đường xuống 1.2 Gbit/s và 2.4 Gbit/s và tốc độ đường lên 155 Mbit/s, 622 Mbit/s, 1.2 Gbit/s và 2.4 Gbit/s dựa trên tiêu chuẩn ITU G.984. Chuyên đề giới thiệu cả mạng GPON (Gigabit-capable Passive Optical Network) đối xứng và không đối xứng bao gồm các đặc tính cơ bản cần thiết dựa trên yêu cầu dịch vụ của nhà điều hành mạng. Mục đích tiêu chuẩn G.984.1 là cải thiện hệ thống PON theo tiêu chuẩn G.983.1 thông qua các yêu cầu về cung cấp dịch vụ, các chính sách bảo mật, tốc độ bit danh định... Để đảm bảo tính liên tục so với các hệ thống trước, tiêu chuẩn G.984.1 sẽ duy trì một số yêu cầu trong tiêu chuẩn G.983.1. Chuyên đề đưa ra các đặc tính cơ bản về hệ thống GPON để thực hiện lớp vật lý và lớp hội tụ truyền dẫn. Các đặc tính này bao gồm một số ví dụ về dịch vụ, giao diện mạng người dùng UNI (User Network Interfaces) và giao diện nốt dịch vụ SNI (Service Node Interfaces) và từ đó đưa ra cấu hình triển khai chính. Chuyên đề mạng truy nhập quang đến thuê bao GPON Trang 6/56 2 Giới thiệu mạng truy nhập quang tới thuê bao (FTTH) và GPON 2.1 Khái niệm và ưu điểm FTTH Trước đây các hệ thống mạng truy nhập được sủ dụng chủ yếu là cáp đồng, ứng dụng cho các dịch vụ có lưu lượng thấp. Việc sử dụng cáp đồng có những lợi ishc như chi phí thấp, khả năng lắp đặt và triển khai đơn giản. Tuy nhiên, cáp đồng có nhiều hạn chế như băng thông nhỏ, khả năng chống nhiễu kém, suy hao lớn, phạm vi truyền nhỏ. Công nghệ truyền dẫn bằng cáp quang đã khắc phục hoàn toàn các nhược điểm này. Truyền dẫn bằng cáp quang không bị nhiều do tín hiệu được truyền bằng ánh sáng, suy hao nhỏ, phậm vị truyền dẫn gấp hàng chục lần so với cáp đồng và đặc biệt là băng thông của cáp quang có thể lên tới hàng trăm GHz đáp ứng được hoàn toàn nhu cầu truyền dẫn. Những năm gần đây do sự phát triển của công nghệ làm cho việc sản xuất cáp quang dễ dàng và giá thành của cáp quang cũng như các thiết bị đấu nối cáp hạ, do vậy cáp quang được sử dụng rộng rãi. Thực tế tại Việt nam cũng như trên thế giới là các mạng lõi hầu hết là mạng quang nhưng mạng truy nhập vẫn chủ yếu sử dụng cáp đồng. Mạng cáp quang truy nhập vẫn còn nhỏ lẻ và mới chỉ được triển khai chủ yếu ở các nước có nền công nghệ thông tin phát triển như Mỹ, Hàn Quốc, Nhật Bản.... Tuy nhiên với sự bùng nổ về nhu cầu băng thông hiện nay, việc triển khai một hệ thống mạng truy nhập quang đến từng hộ gia định là một xu thế tất yếu. Đó chính là mạng FTTH – Fiber to the home. 2.2 Kiến trúc và thành phần của mạng PON Mạng FTTH bao gồm các đường quang đi từ nhà cung cấp dịch vụ được dùng chung cho một số khách hàng. Sẽ có một đường quang đi đến một nhóm khách hàng ở gần nhau về mặt địa lý. Tại đây đường quang dùng chung này sẽ được chia tách thành các đường quang riêng biệt đi đến từng khách hàng. Mạng truy nhập quang thụ động PON là kiểu mạng điểm-đa điểm. Mỗi khách hàng được kết nối tới mạng quang thông qua một bộ chia quang thụ động, vì vậy không có các thiết bị điện chủ động trong mạng phân chia và băng thông được chia sẻ từ nhánh đến người dùng. Tín hiệu đường xuống được phát quảng bá tới các thuê bao, tín hiệu này được mã hóa để tránh việc xem trộm. Tín hiệu đường lên được kết hợp bằng việc sử dụng giao thức đa truy nhập phân chia theo thời gian. OLT sẽ điều khiển các ONU sử dụng các khe thời gian cho việc truyền dữ liệu đường lên. Trong mạng PON, OLT là thành phần chức năng chính của hệ thống đặt ở tổng đài. ONU là thiết bị đặt ở phía người dùng.ONU kết nối tới OLT bằng các sợi quang và không có các thành phần chủ động ở giữa. Bộ chia tín hiệu (splitter) là thành phần rất quan trọng cua hệ thống, theo tiêu chuẩn ITU G.983.1 một bộ chia sủ dụng tối đa cho 32 khách hàng. Chuyên đề mạng truy nhập quang đến thuê bao GPON Trang 7/56 Hình 1 Kiến trúc mạng PON 2.3 Các chuẩn mạng PON Có ba loại tiêu chuẩn chính cho mạng PON như sau:  ITU-T G.983 o APON (ATM Passive Optical Network): là chuẩn mạng PON đầu tiên, dựa trên công nghệ ATM. o BPON (Broadband PON): là chuẩn dựa trên APON. Nó hỗ trợ thêm công nghệ WDM, băng thông giành cho đường lên được cấp phát động.. Nó cũng cung cấp một giao diện quản lý chuẩn OMCI giữa OLT và ONU cho phép nhiều nhà cung cấp dịch vụ cùng hoạt động.  ITU-T G.984 o GPON (Gigabit PON) là sự nâng cấp của chuẩn BPON. Đây là chuẩn mới nhất, hỗ trợ tốc độ cao hơn, bảo mật được tưng cường và sự đa dạng, linh hoạt trong việc lựa chọn giao thức lớp 2: ATM, GEM hoặc Ethernet.  IEEE 803.3ah o EPON (Ethernet PON hay GEPON – gigabit Ethernet PON): là một chuẩn của IEEE/EFM cho việc sử dụng giao thức Ethernet để truyền dữ liệu So sánh các tiêu chuẩn được chỉ ra trong bảng sau: Chuyên đề mạng truy nhập quang đến thuê bao GPON Trang 8/56 Công nghệ BPON (APON) GE-PON (EPON) GPON Đặc tính Tốc độ - đường lên/đường xuống 155/622 Mbps 1.0/1.0 Gbps 1.25/2.5 Gbps Giao thức cơ bản ATM Ethernet GEM Độ phức tạp Cao Thấp Cao Chi phí Cao Thấp Chưa rõ Tổ chức tiêu chuẩn ITU-T IEEE ITU-T Tiêu chuẩn hoàn thiện Rồi, 1995 Rồi, 2004 Rồi Triển khai quy mô lớn 100,000 thuê bao 1,000,000 thuê bao Mới thử nghiệm Khu vực triển khai chính Bắc Mỹ Châu Á Mới thử nghiệm Bảng 1 So sánh các tiêu chuẩn PON 2.4 GPON Hệ thống GPON thông thường gồm một thiết bị kết cuối đường dây OLT (Optical Line Termination) và thiết bị kết cuối mạng ONU (Optical Network Unit) hay ONT (Optical Network Termination) được nối với nhau qua mạng phân phối quang ODN (Optical Distribution Network). Quan hệ giữa OLT và ONU là quan hệ một-nhiều, một OLT sẽ kết nối với nhiều ONU. Bộ khuyến nghị G.984 của ITU đưa ra tiêu chuẩn cho mạng PON tốc độ gigabit (GPON) là phiên bản mới nhất đối với công nghệ mạng PON. Mạng GPON có dung lượng ở mức gigabit cho phép cung cấp các ứng dụng video, truy nhập internet tốc độ cao, multimedia, và các dịch vụ băng thông rộng. Cùng với dung lượng mạng gia tăng, tiêu chuẩn mới này đưa ra khả năng xử lý IP và Ethernet hiệu quả hơn. Mục đích tiêu chuẩn G.984.1 là cải thiện hệ thống PON theo tiêu chuẩn G.983.1 thông qua các yêu cầu về cung cấp dịch vụ, các chính sách bảo mật, tốc độ bit danh định... Để đảm bảo tính liên tục so với các hệ thống trước, tiêu chuẩn G.984.1 sẽ duy trì một số yêu cầu trong tiêu chuẩn G.983.1. 3 Định nghĩa và viết tắt 3.1 Định nghĩa Sau đây là các định nghĩa được sử dụng thường xuyên trong tài liệu. Chuyên đề mạng truy nhập quang đến thuê bao GPON Trang 9/56 Chức năng tương thích AF (Adaptation Function): AF là thiết bị đi kèm thực hiện chuyển giao diện thuê bao ONU/ONT thành giao diện U