Luận văn Nghiên cứu triển khai công nghệ GPON trên mạng viễn thông Hà Nội

i MỤC LỤC MỤC LỤC............................................................................................................. i DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG SỐ LIỆU .................................................iii CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .......................................................................... iv LỜI NÓI ðẦU................................................................................................. - 1 - CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG THỤ ðỘNG (PON).......... - 3 - 1.1. Mở ñầu ..................................................................................................... - 3 - 1.2. Kiến trúc của PON.................................................................................... - 6 - 1.3. Các hệ thống PON ñang ñược triển khai ................................................... - 8 - 1.3.1. APON/BPON.................................................................................. - 8 - 1.3.2. GPON ............................................................................................. - 9 - 1.3.3. EPON............................................................................................ - 10 - 1.3.4. WDM-PON................................................................................... - 10 - 1.3.5. Nhận xét........................................................................................ - 11 - 1.4. Kết luận .................................................................................................. - 13 - CHƯƠNG 2. CÔNG NGHỆ MẠNG QUANG THỤ ðỘNG GPON.............. - 15 - 2.1. Giới thiệu chung ..................................................................................... - 15 - 2.2. Tình hình chuẩn hóa GPON .................................................................... - 15 - 2.3. Kiến trúc GPON ..................................................................................... - 17 - 2.4. Thông số kỹ thuật ................................................................................... - 23 - 2.5. Kỹ thuật truy nhập và phương thức ghép kênh ........................................ - 24 - 2.5.1. Kỹ thuật truy nhập......................................................................... - 24 - 2.5.2. Phương thức ghép kênh ................................................................. - 25 - 2.6. Phương thức ñóng gói dữ liệu ................................................................. - 26 - 2.7. ðịnh cỡ và phân ñịnh băng tần ñộng: ...................................................... - 27 - 2.8. Bảo mật và mã hóa sửa lỗi ...................................................................... - 32 - 2.9. Khả năng cung cấp băng thông ............................................................... - 33 - 2.10. Khả năng cung cấp dịch vụ ................................................................... - 34 - ii 2.11. Một số vấn ñề cần quan tâm trong tính toán thiết kế mạng GPON......... - 36 - 2.12. Kết luận ................................................................................................ - 37 - CHƯƠNG 3. TRIỂN KHAI GPON TRÊN MẠNG VIỄN THÔNG HÀ NỘI - 39 - 3.1. Hiện trạng mạng truy nhập băng rộng của Viễn thông HN ...................... - 39 - 3.2. Mục ñích xây dựng mạng GPON: ........................................................... - 43 - 3.3. Khảo sát nhu cầu sử dụng các dịch vụ mạng cáp quang của khách hàng trên ñịa bàn TP Hà nội:................................................................................................ - 45 - 3.3.1. Nhu cầu dịch vụ viễn thông của các cơ quan ðảng, Chính phủ...... - 45 - 3.3.2. Nhu cầu dịch vụ viễn thông của khối các doanh nghiệp, tỏ chức, giáo dục ñào tạo .................................................................................................... - 46 - 3.3.3. Nhu cầu của nội bộ Viễn thông Hà nội .......................................... - 47 - 3.4. Xây dựng cấu trúc mạng GPON Viễn thông Hà nội: ............................... - 48 - 3.4.1. Nguyên tắc xây dựng mạng: .......................................................... - 48 - 3.4.2. Xây dựng mạng cho VNPT Hà nội:............................................... - 52 - 3.5. ðề xuất dịch vụ triển khai trên mạng GPON VTHN: .............................. - 66 - 3.5.1. Dịch vụ IPTV:............................................................................... - 66 - 3.5.2. Dịch vụ truy nhập Internet tốc ñộ cao............................................ - 66 - 3.5.3. Dịch vụ kết nối VPN: .................................................................... - 67 - 3.5.4. Dịch vụ kết nối mạng ñiểm – ña ñiểm: .......................................... - 67 - CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .......... - 68 - 4.1. Kết luận .................................................................................................. - 68 - 4.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo .................................................................... - 69 - TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................. - 70 - PHỤ LỤC 1: Tổng hợp thiết bị GPON năm 2009-2010 của Viễn thông Hà nội (Hà nội cũ) .................................................................................................................... PHỤ LỤC 2: Tổng hợp thiết bị GPON năm 2009-2010 của Viễn thông Hà nội (KV Hà Tây cũ)............................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG SỐ LIỆU Hình 1-1: Mô hình mạng quang thụ ñộng......................................................... - 7 - Hình 1-2: Các kiểu kiến trúc của PON. ............................................................ - 8 - Hình 2-1: Kiến trúc mạng GPON................................................................... - 17 - Hình 2-2: Các khối chức năng của OLT......................................................... - 19 - Hình 2-3: Các khối chức năng của ONU........................................................ - 20 - Hình 2-4: Các bộ ghép 8x8 ñược tạo ra từ các bộ ghép 2x2. .......................... - 21 - Hình 2-5: Cấu trúc cơ bản mạng cáp quang thuê bao ..................................... - 22 - Hình 2-6: TDMA GPON ............................................................................... - 25 - Hình 2-7: GPON Ranging pha 1 .................................................................... - 28 - Hình 2-8: GPON Ranging pha 2 .................................................................... - 29 - Hình 2-9: Báo cáo và phân bố băng thông trong GPON................................. - 31 - Hình 2-10: Thủ tục cấp phát băng thông trong GPON.................................... - 32 - Hình 3-1: Cấu trúc mạng MAN-E của Viễn thông Hà nội .............................. - 41 - Bảng 3-2: Bảng chỉ số băng thông ................................................................. - 55 - Bảng 3-3: Tính toán băng thông chi tiết cho mạng GPON Viễn thông Hà nội - 56 - Bảng 3-4: Danh sách các trạm OLT – GPON................................................. - 58 - Bảng 3-5: Số lượng thiết bị tại khu vực Hà Nội (cũ) ...................................... - 61 - Bảng 3-6: Số lượng thiết bị tại khu vực Hà Tây (cũ) ...................................... - 62 - Hình 3-7: Cấu trúc mạng FTTx- GPON của Viễn thông Hà nội ..................... - 64 - Hình 3-8: Cấu trúc mạng FTTx-GPON khu vực ðinh Tiên Hoàng ................ - 65 - iv CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ADM Add Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen rẽ APON ATM Passive Optical Network Mạng quang thụ ñộng dùng ATM ATM Asynchronous Tranfer Mode Chế ñộ truyền tải không ñồng bộ AUI Attchment Unit Interface Cáp nối với thiết bị BER Bit Error Rate Tỷ lệ bit lỗi Capex Capital Expenditrure Chi phí ñầu tư ban ñầu CDM Code Division Multiplexing Ghép kênh theo mã CE Customer Equipment Thiết bị khách hàng CIR Constant Information Rate Tốc ñộ thông tin tốt nhất CO Central Office Tổng ñài trung tâm CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra vòng dư CSMA/CD Carrier sense Multiple access collision detect ða truy nhập cảm nhận sống mang/tách xung ñột DA Destination Address ðịa chỉ ñích DCE Data Communications Equipment Thiết bị thông tin số liệu DCS Digital Crossconect Bộ nối chéo số DFSM Dispersion Flattened single Mode Sợi tán sắc phẳng DLC Digital Loop Carrier Sóng mang vòng số DSL Digital Subcriber Loop Vòng thuê bao số DSSM Dispersion Shifted Single Mode Sợi tán sắc dịch chuyển DTE Data Terminal Equipment Thiết bị ñầu cuối số liệu DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing Ghép bước sóng với mật ñộ cao E-LAN Ethernet Local Area Network Mạng LAN Ethernet E-Line Ethernet Line ðường Ethernet EMS Element Management System Phần tử quản lý hệ thống v EPON Ethernet Passive Optical Network Mạng quang thụ ñộng dùng Ethernet EVC Ethernet Virtual Connection Kết nối ảo Ethernet FCS Frame Check Sequence Dãy bit kiểm tra khung FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh theo tần số FSAN Full Service Access Network Tập dịch vụ mạng truy nhập FTTB Fiber to the Building Cáp quang nối ñến toà nhà FTTC Fiber to the Curb Cáp quang nối ñến cụm dân cư FTTH Fiber to the Home Cáp quang nối tận nhà HFC Hybrid Fiber Coax Television System Hệ thống phân phối tín hiệu truyền hình lai ghép cáp quang-cáp ñồng trục IFG Inter Frame Gap Khoảng cách giữa hai khung liền kề IP Internet Protocol Giao thức Internet IPG Inter Packet Gap Khoảng cách hai gói liền kề ISO International Organization for Standardization Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế LAN Local Area Network Mạng nội bộ LLC Logical Link Control ðiều khiển liên kết logic LMDS Local MultiPoint Disttribution System Hệ thống phân bố ña ñiểm cục bộ LTE Line Terminal Equipment Thiết bị kết cuối ñường dây MAC Medium Access Control ðiều khiển truy nhập môi trường MAN Metro Area Network Mạng diện rộng MAU Media Access Unit Khối truy nhập môi trường MDI Medium Dependent Interface Giao diện ñộc lập môi trường MEF Metro Ethernet Forum Diễn ñàn về Ethernet trong mạng diện rộng MEN Metro Ethernet Network Mạng diện rộng dùng Ethernet MIB Management Information Base Cơ sở thông tin quản lý MII Medium Independent Giao diện phụ thuộc môi trường vi Interface MMDS Multi Channel Multi Point distribution System Hệ thống phân bố ña kênh, ña ñiểm MPCP MultiPoint Control Protocol Giao thức ñiều khiển ña ñiểm MPLS Multi Protocol Label Switching Chuyển mạch nhãn ña giao thức NIC Network Interface cards Card giao diện mạng NLP Normal Link Pulse Xung báo hiệu liên kết bình thường OLT Optical Line Terminal Thiết bị kết cuối ñường quang ONU Optical Network Terminal Thiết bị kết cuối mạng quang PCS Physical Coding Sublayer Lớp con mã hoá vật lý PDU Protocol Data Units ðơn vị số liệu giao thức PMA Physical Layer Attachment Truy nhập lớp vật lý PMD Physical Medium Dependent Phụ thuộc môi trường vật lý PON Passive Optical Network Mạng quang thụ ñộng PVC Permanent virtual Circuit Mạch ảo bán cố ñịnh SA Source Address. ðịa chỉ nguồn SFD Start of Frame Delimiter Ranh giới bắt ñầu khung SME Station Management Entity Thực thể quản lý trạm SMF Single Mode Fiber Sợi quang ñơn mode SSM Standard Single Mode Sợi ñơn mode chuẩn TCP Transport Control Protocol Giao thức ñiều khiển truyền tải TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh theo thời gian UNI User Network Interface Giao diện mạng-người dùng UTP Unshielded Twisted Pair Cáp trần xoắn ñôi VLAN Virtual Local Area Network Mạng LAN ảo VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo WAN Wide Area Network Mạng diện rộng WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng - 1 - LỜI NÓI ðẦU VNPT hiện là nhà cung cấp dịch vụ viễn thông hàng ñầu với hạ tầng mạng lưới rộng khắp cả nước và cung cấp nhiều loại dịch vụ viễn thông. Mạng truy nhập băng rộng hiện tại của VNPT chủ yếu dựa trên hạ tầng mạng truy nhập cáp ñồng sử dụng công nghệ xDSL, về cơ bản mới chỉ ñáp ứng cho các dịch vụ truy nhập tốc ñộ dưới 2 Mbit/s. Sự phát triển của các khu vực kinh tế như: khu công nghiệp, khu công nghệ cao, khu thương mại, chung cư cao cấp, ... cùng với sự phát triển ngày càng lớn mạnh của các tổ chức kinh tế như: ngân hàng, kho bạc, công ty, ... ñã tạo ra nhu cầu rất lớn trong việc sử dụng các dịch vụ tiện ích tích hợp thoại, hình ảnh và dữ liệu. Bên cạnh ñó, các dịch vụ ứng dụng trên Internet ngày càng phong phú và phát triển với tốc ñộ nhanh chóng như các dịch vụ mua bán trực tuyến, ngân hàng, các dịch vụ ñào tạo từ xa, game trực tuyến,… ðặc biệt nhu cầu về các loại dịch vụ gia tăng tích hợp thoại, hình ảnh và dữ liệu ñang ngày càng tăng. Sự phát triển của các loại hình dịch vụ mới, ñòi hỏi hạ tầng mạng truy nhập phải ñáp ứng các yêu cầu về băng thông rộng, tốc ñộ truy nhập cao. Công nghệ truy nhập cáp ñồng ñiển hình như xDSL ñã ñược triển khai rộng rãi, tuy nhiên những hạn chế về cự ly và tốc ñộ ñã không ñáp ứng ñược yêu cầu dịch vụ. Vì vậy nghiên cứu triển khai các giải pháp truy nhập quang là vấn ñề cấp thiết hiện nay nhằm xây dựng hạ tầng mạng truy nhập ñáp ứng cung cấp các dịch vụ băng rộng chất lượng cao. Qua ñó cũng ñặt ra những vấn ñề cần giải quyết cấp bách ñối với mạng truy nhập của VNPT. Do vậy, nghiên cứu triển khai giải pháp truy nhập mới nhằm chiếm lĩnh thị trường dịch vụ mới là rất cần thiết ñối với VNPT. Công nghệ truy nhập quang thụ ñộng GPON ñã ñược ITU chuẩn hóa, hiện nay là một trong những công nghệ ñược ưu tiên lựa chọn cho triển khai mạng truy nhập tại nhiều nước trên thế giới. GPON là công nghệ hướng tới cung cấp dịch vụ mạng ñầy ñủ, tích hợp thoại, hình ảnh và số liệu với băng thông lớn tốc ñộ cao. Do vậy GPON sẽ là công nghệ truy nhập lựa chọn triển khai hiện tại và tương lai. - 2 - GPON chính là giải pháp phù hợp nhất ñối với hạ tầng mạng hiện tại của VNPT và ngày 23/7/2008, VNPT ñã có quyết ñịnh số 2039/Qð-VT v/v “Triển khai mạng truy nhập quang thụ ñộng (GPON)”. Luận văn “Nghiên cứu triển khai công nghệ GPON trên mạng Viễn thông Hà nội” nhằm mục ñích tìm hiểu những ñặc ñiểm kỹ thuật cơ bản của công nghệ GPON, qua ñó ñề xuất cấu hình mạng GPON của Viễn thông Hà nội. Luận văn thực hiện gồm 04 chương: Chương 1 trình bày tổng quan về mạng PON và giới thiệu về các hệ thống PON hiện ñang ñược triển khai. Chương 2 trình bày tổng quan về công nghệ GPON, trong ñó nghiên cứu các vấn ñề về cấu trúc khung, ñịnh cỡ và phân ñịnh băng tần ñộng là các vấn ñề trọng tâm. Chương 3 là các ñề xuất về mô hình tổ chức mạng GPON cho VNPT Hà nội. Cuối cùng là phần kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo của luận văn. - 3 - CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG THỤ ðỘNG (PON) 1.1. Mở ñầu Mạng viễn thông thường ñược cấu thành bởi ba mạng chính: mạng ñường trục, mạng phía khách hàng và mạng truy nhập. Trong những năm gần ñây, mạng ñường trục có những bước phát triển nhảy vọt do sự xuất hiện của các công nghệ mới, như công nghệ ghép kênh theo bước sóng (WDM). Cũng trong khoảng thời gian này, mạng nội hạt (LAN) cũng ñã ñược cải tiến và nâng cấp từ tốc ñộ 10 Mb/s lên 100 Mb/s, và ñến 1 Gb/s. Thậm chí, các sản phẩm Ethernet 10 Gb/s cũng ñã bắt ñầu xuất hiện trên thị trường. ðiều này ñã dẫn ñến một sự chênh lệch rất lớn về băng thông giữa một bên là mạng LAN tốc ñộ cao và mạng ñường trục và một bên là mạng truy nhập tốc ñộ thấp, mà chúng ta vẫn thường gọi ñó là nút cổ chai (bottleneck) trong mạng viễn thông. Việc bùng nổ lưu lượng Internet trong thời gian vừa qua càng làm trầm trọng thêm các vấn ñề của mạng truy nhập tốc ñộ thấp. Các báo cáo thống kê cho thấy lưu lượng dữ liệu ñã tăng 100% mỗi năm kể từ năm 1990. Thậm chí, sự kết hợp giữa các yếu tố kinh tế và công nghệ ñã tạo ra những thời ñiểm mà tốc ñộ phát triển ñạt tới 1000% trong một năm (vào những năm 1995 và 1996). Xu hướng này vẫn sẽ còn tiếp tục trong tương lai, tức là càng ngày sẽ càng có nhiều người sử dụng trực tuyến và những người sử dụng ñã trực tuyến thì thời gian trực tuyến sẽ càng nhiều hơn, do vậy nhu cầu về băng thông lại càng tăng lên. Các nghiên cứu thị trường cho thấy rằng, sau khi nâng cấp lên công nghệ băng rộng, thời gian trực tuyến của người sử dụng ñã tăng lên 35% so với trước khi nâng cấp. Lưu lượng thoại cũng tăng lên, nhưng với - 4 - tốc ñộ thấp hơn nhiều, khoảng 8% mỗi năm. Theo hầu hết các báo cáo phân tích, lưu lượng của dữ liệu hiện nay ñã vượt trội hơn rất nhiều so với lưu lượng thoại. Càng ngày sẽ càng có nhiều dịch vụ và các ứng dụng mới ñược triển khai khi băng thông dành cho người sử dụng tăng lên. ðứng trước tình hình ñó, một số công nghệ mới ñã ñược ñưa ra nhằm ñáp ứng những ñòi hỏi về băng tần. Hiện tại, các nhà cung cấp dịch vụ ñã triển khai cung cấp dịch vụ Internet bằng công nghệ ñường dây thuê bao số DSL. DSL sử dụng ñôi dây giống như dây ñiện thoại, và yêu cầu phải có một modem DSL ñặt tại thuê bao và DSLAM ñặt tại tổng ñài. Tốc ñộ dữ liệu của DSL nằm trong khoảng từ 128 Kb/s ñến 1,5 Mb/s. Mặc dù tốc ñộ của nó ñã tăng ñáng kể so với modem tương tự, nhưng khó có thể ñược coi là băng rộng do không cung cấp ñược các dịch vụ video, thoại, dữ liệu cho các thuê bao ở xa. Khoảng cách từ tổng ñài ñến theo bao chỉ trong phạm vi 5,5 km. Ta có thể tăng khoảng cách này bằng giải pháp triển khai thêm nhiều DSLAM ñến gần thuê bao, nhưng ñây là một giải pháp không hiệu quả do chi phí quá cao. Một giải pháp khác ñược ñưa ra là sử dụng cáp modem. Các công ty cáp TV cung cấp các dịch vụ Internet bằng cách triển khai các dịch vụ tích hợp dữ liệu trên mạng cáp ñồng trục, mà ban ñầu ñược thiết kế ñể truyền dẫn tín hiệu video tương tự. Ví dụ, mạng HFC sẽ có sợi quang nối từ các ñầu dẫn hay các hub ñến các nút quang, và từ các nút quang sẽ phân chia ñến các thuê bao thông qua cáp ñồng trục, bộ lặp và các bộ ghép/tách. Tuy nhiên, mô hình kiến trúc này có nhược ñiểm là thông lượng hiệu dụng của các nút quang không quá 36 Mb/s, vì vậy tốc ñộ thường rất thấp vào những giờ cao ñiểm. Như vậy, chúng ta thấy rằng cả công nghệ DSL và cáp modem ñều không ñáp ứng ñược những yêu cầu về băng thông cho mạng truy nhập. Hầu hết các nhà công nghệ mạng hiện nay ñều ñang tiến tới một công nghệ mới, tập trung - 5 - chủ yếu vào truyền tải dữ liệu, ñặc biệt là dữ liệu IP. Trong bối cảnh ñó, công nghệ PON sẽ là một giải pháp tối ưu cho mạng truy nhập băng rộng. Người ta trông ñợi mạng PON sẽ giải quyết ñược các vấn ñề tắc nghẽn băng thông của mạng truy nhập trong kiến trúc mạng viễn thông, giữa một bên là các nhà cung cấp dịch vụ CO, các ñiểm kết cuối, các ñiểm truy nhập và một bên là các công ty ñược cung cấp dịch vụ, hay một khu vực tập trung các thuê bao. Mạng quang thụ ñộng có thể ñịnh nghĩa một cách ngắn gọn như sau: “Mạng quang thụ ñộng (PON) là một mạng quang không có các phần tử ñiện hay các thiết bị quang ñiện tử”. Như vậy với khái niệm này, mạng PON sẽ không chứa bất kỳ một phần tử tích cực nào mà cần phải có sự chuyển ñổi ñiện - quang. Thay vào ñó, PON sẽ chỉ bao gồm: sợi quang, các bộ chia, bộ kết hợp, bộ ghép ñịnh hướng, thấu kính, bộ lọc,... ðiều này giúp cho PON có một số ưu ñiểm như: không cần nguồn ñiện cung cấp nên không bị ảnh hưởng bởi lỗi nguồn, có ñộ tin cậy cao và không cần phải bảo dưỡng do tín hiệu không bị suy hao nhiều như ñối với các phần tử tích cực. Mạng PON ngoài việc giải quyết các vấn ñề về băng thông, nó còn có ưu ñiểm là chi phí lắp ñặt thấp do nó tận dụng ñược những sợi quang trong mạng ñã có từ trước. PON cũng dễ dàng và thuận tiện trong việc ghép thêm các ONU theo yêu cầu của các dịch vụ, trong khi ñó việc thiết lập thêm các nút trong mạng tích cực khá phức tạp do việc cấp nguồn tại mỗi nút mạng, và trong mỗi nút