..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

ĐOÀN ĐỨC SINH

NGHIÊN CỨU TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG
CHO CÁC MẠNG THẾ HỆ MỚI

Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN
PGS.TS. NGUYỄN HỮU THANH

Hà Nội - Năm 2015


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT..........................................5
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................8
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................10
1. Lý do chọn đề tài ..............................................................................................10
2. Mục đích nghiên cứu ........................................................................................11
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................11

4. Kết cấu luận văn ...............................................................................................11
5. Phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................................................12
CHƢƠNG I - MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG PON ..............................................13
1.1. Giới thiệu chƣơng ..........................................................................................13
1.2. Mạng PON .....................................................................................................14
1.3. Mạng PON ghép kênh phân chia theo thời gian ............................................21
1.4. Các tiêu chuẩn cho mạng TDM-PON............................................................25
1.4.1. B-PON ................................................................................................25
1.4.2. E-PON ................................................................................................26
1.4.3. G-PON ...............................................................................................28
1.5. Kết luận chƣơng .............................................................................................30
CHƢƠNG II - CƠ CHẾ PHÂN BỔ BĂNG THƠNG ĐỘNG.............................32
2.1. Giới thiệu .......................................................................................................32
2.2. Thuật tốn cấp phát băng thông động [2] ......................................................32
2.3. Định dạng bản tin điều khiển [2] ...................................................................37
2.4. Lập lịch cho bản tin Grant/Request ...............................................................39
Đoàn Đức Sinh

1


2.5. Đánh giá hiệu năng của mạng [2] ..................................................................43
2.6. Các dịch vụ sử dụng thuật toán DBA ............................................................46
2.7. Chất lƣợng QoS .............................................................................................48
2.8. Kết luận chƣơng .............................................................................................50
CHƢƠNG III - PHÂN BỔ BĂNG THÔNG ĐỘNG TIẾT KIỆM NĂNG
LƢỢNG VỚI CÁC ONU Ở CHẾ ĐỘ NGỦ .........................................................51
3.1. Giới thiệu .......................................................................................................51
3.2. Phƣơng pháp điều khiển lớp MAC tiết kiệm năng lƣợng [5] ........................55
3.3. Cơ chế xác định độ lớn băng thông cấp phép [5] ..........................................60

3.4. Xây dựng bài tốn tạo chu trình cấp phép tiết kiệm năng lƣợng [5] .............61
3.5. Thuật toán quy hoạch động cấp phép băng thông tiết kiệm năng lƣợng [5] .65
3.6. Kết luận chƣơng .............................................................................................67
CHƢƠNG IV - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG PON ......68
4.1. Giới thiệu .......................................................................................................68
4.2. Mơ hình hệ thống ...........................................................................................69
4.2.1. Mơ hình mạng dùng trong mô phỏng ................................................69
4.2.2. Các thông số mô phỏng ......................................................................70
4.3. Sơ đồ thuật tốn mơ phỏng ............................................................................71
4.3.1. Sơ đồ thuật tốn mơ phỏng lƣu lƣợng mạng ......................................71
4.3.2. Sơ đồ thuật tốn mơ phỏng hiệu năng của mạng PON ......................73
4.4. Chƣơng trình mơ phỏng .................................................................................74
4.4.1. Giao diện chƣơng trình khởi động .....................................................74
4.4.2. Giao diện chƣơng trình chính ............................................................76
4.5. Kết quả mơ phỏng ..........................................................................................78
4.5.1. Lƣu lƣợng mạng có kích thƣớc gói tin theo phân phối Poisson .......78
4.5.2. Hiệu năng của mạng PON..................................................................80
4.5.2.1. Thời gian chu kỳ ..........................................................................80
4.5.2.2. Kích thƣớc hàng đợi.....................................................................85

Đồn Đức Sinh

2


4.5.2.3. Thời gian trễ của gói tin ...............................................................90
4.6. Nhận xét .........................................................................................................95
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..............................................97
1. Kết luận ..............................................................................................................97
2. Hƣớng nghiên cứu tiếp theo ..............................................................................97

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................98
PHỤ LỤC: MÃ NGUỒN CHƢƠNG TRÌNH ....................................................100
1. Chƣơng trình mơ phỏng lƣu lƣợng mạng .......................................................100
2. Chƣơng trình mơ phỏng hiệu năng mạng của PON .......................................101

Đoàn Đức Sinh

3


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai cơng
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tác giả luận văn

Đoàn Đức Sinh

Đoàn Đức Sinh

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt

Tên đầy đủ


Nghĩa tiếng Việt

ADAEE

Adaptive Delay Aware Energy
Efficient

Giải pháp tiết kiệm năng lƣợng nhận
biết trễ tƣơng thích

AON

Active Optical Network

Mạng quang tích cực

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Chế độ truyền không đồng bộ

CO

Central Office

Trạm trung tâm

DBA


Dynamic Bandwidth
Assignment

Cấp phát băng thông động

DCS

Downstream Centric Scheme

Cơ chế truyền hƣớng xuống

EMM

Energy Management
Mechanism

Cơ chế quản lý năng lƣợng

FSAN

Full Service Access Network

Mạng truy nhập đầy đủ dịch vụ

FTTH

Fiber To The Home

Cáp quang đến tận nhà


GEM

GPON Encapsulation Method

Phƣơng thức đóng gói GPON

IPACT

Interleaved Polling with
Adaptive Cycle Time

Vòng xen kẽ với chu kỳ đáp ứng

JIT

Just-In-Time

Đúng thời gian

LLID

Link Logic ID

MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy cập môi trƣờng


MPCP

Multipoint Control Protocol

Giao thức điều khiển đa điểm

NGN

Next Generation Network

Mạng thế hệ mới

NID

Node Identification

Nhận diện node

OLT

Đoàn Đức Sinh

Optical Line Terminal

Trƣờng nhận dạng kênh logic

Thiết bị đầu cuối đƣờng dây

5



ONT

Optical Network Terminal

Thiết bị kết nối đầu cuối

ONU

Optical Network Unit

Bộ kết nối đầu cuối

PLOAM

Physical Layer Operation,
Administration and
Maintenance

Quản lý vận hành bảo dƣỡng lớp vật
lý

PMD

Physical Media Dependent

Phụ thuộc môi trƣờng vật lý

PON


Physical Media Dependent

Mạng quang thụ động

PS

Passive Splitter

Bộ chia quang thụ động

QoS

Quality of Service

Chất lƣợng dịch vụ

RTT

Round Trip Time

Thời gian từ lúc gửi đến lúc nhận

SDBA

Sleep Aware Dynamic
Bandwidth Allocation

Phân bổ băng thông động để nhận
biết giấc ngủ


SLA

Service Level Agreement

Thỏa thuận mức dịch vụ

SNI

Service Network Interface

Giao diện mạng dịch vụ

SRD

Short Range Dependent

Phụ thuộc thời gian ngắn

TDMA

Time Division Multiple Access

Truy cập đa phân chia theo thời gian

TE

Terminal Equipment

Thiết bị đầu cuối


UCS

Upstream Centric Scheme

Cơ chế truyền hƣớng lên

UNI

User Network Interface

Giao diện mạng ngƣời dùng

VPN

Virtual Private Network

Mạng riêng ảo

Wavelength Division
Multiplexing

Ghép kênh phân chia

WDM
WS

Window Size

Đoàn Đức Sinh


theo bƣớc sóng
Kích thƣớc cửa sổ

6


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 – Bảng so sánh các chuẩn công nghệ TDM-PON .....................................29
Bảng 2.1 - Cơ chế cấp phát cửa sổ truyền của một số dịch vụ .................................46
Bảng 3.1 - Định nghĩa các ký hiệu ............................................................................57
Bảng 4.1 - Thông số mô phỏng lưu lượng đi trong mạng .........................................70
Bảng 4.2 - Thông số mô phỏng hiệu năng mạng PON .............................................71
Bảng 4.3 - Kết quả mô phỏng lưu lượng đi trong mạng ...........................................80
Bảng 4.4 - Số liệu mô phỏng thời gian trung bình của 1 chu kỳ của các dịch vụ ....82
Bảng 4.5 - Số liệu mô phỏng thời gian lớn nhất của 1 chu kỳ của các dịch vụ ........84
Bảng 4.6 - Số liệu mơ phỏng kích thước hàng đợi trung bình của các dịch vụ ........87
Bảng 4.7 - Số liệu mơ phỏng kích thước hàng đợi lớn nhất của các dịch vụ ...........89
Bảng 4.8 - Số liệu mô phỏng thời gian trễ trung bình của gói tin của các dịch vụ ..92
Bảng 4.9 - Số liệu mô phỏng thời gian trễ lớn nhất của gói tin của các dịch vụ .....94

Đoàn Đức Sinh

7


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 - Mạng PON với bộ chia quang thụ động Passive Splitter ........................14
Hình 1.2 - Mạng PON ...............................................................................................15
Hình 1.3 - Bước sóng truyền trong mạng PON ........................................................16
Hình 1.4 – Cấu trúc tổng quan của một giải pháp PON ..........................................19

Hình 1.5 - Kiến trúc tổng quan của mạng PON........................................................20
Hình 1.6 - Nguyên lý truyền dữ liệu hướng xuống theo phương thức quảng bá ......22
Hình 1.7 - Nguyên lý truyền dữ liệu hướng lên theo cơ chế ghép kênh phân chia
theo thời gian (TDM) ................................................................................................22
Hình 1.8 - Cấu trúc chung của OLT .........................................................................23
Hình 1.9 - Cấu trúc chung của ONU ........................................................................24
Hình 1.10 - ONU & OLT gửi bản tin yêu cầu cấp phát băng thông ........................27
Hình 2.1a – OLT gửi bản tin điều khiển đến ONU 1 ................................................33
Hình 2.1b – ONU 1 gửi dữ liệu lên cửa sổ được cấp ...............................................34
Hình 2.1c – OLT update thơng tin vào bảng polling ................................................35
Hình 2.1d – Các bước của thuật tốn DBA ..............................................................36
Hình 2.2 - Vị trí lồng bản tin điều khiển vào khung Ethernet ...................................38
Hình 2.3 - Lập lịch cho bản tin Request ...................................................................40
Hình 2.4 - Lập lịch bản tin Grant cho ONU thứ i, i+1, i+2 với i-1 bị ngắt .............42
Hình 2.5 - Các thành phần của thời gian trễ của gói tin ..........................................45
Hình 3.1 - Sơ đồ chuyển trạng thái của ONU ...........................................................56
Hình 3.2 - Minh họa phương pháp điều khiển lớp MAC tiết kiệm năng lượng ........57
Hình 3.3 - Minh họa cơ chế tạo chu trình cấp phép tiết kiệm năng lượng ...............63
Hình 4.1 - Giao diện môi trường làm việc của phần mềm Matlab R2014a..............68
Hình 4.2 - Kích thước trung bình của gói tin phụ thuộc vào tải & thời gian đến
trung bình của gói tin ................................................................................................69
Hình 4.3 - Sơ đồ thuật tốn mơ phỏng lưu lượng mạng ...........................................72
Hình 4.4 - Sơ đồ thuật tốn mơ phỏng hiệu năng của mạng PON ...........................73

Đồn Đức Sinh

8


Hình 4.5 - Giao diện chương trình khởi động .........................................................75

Hình 4.6 - Giao diện chương trình chính ..................................................................76
Hình 4.7 - Biểu đồ lượng dữ liệu đến ONU trong thời gian 1s ................................78
Hình 4.8 - Biểu đồ lượng dữ liệu đến ONU trong thời gian 10 ms ..........................79
Hình 4.9 - Biểu đồ lượng dữ liệu đến ONU trong thời gian 1000 µs .......................79
Hình 4.10 - Đồ thị biểu diễn thời gian trung bình của 1 chu kỳ của từng dịch vụ ...81
Hình 4.11 - So sánh thời gian trung bình của 1 chu kỳ của các loại dịch vụ ...........83
Hình 4.12 - So sánh thời gian lớn nhất của 1 chu kỳ của các loại dịch vụ ..............85
Hình 4.13 - Đồ thị biểu thị kích thước hàng đợi trung bình của từng dịch vụ .........86
Hình 4.14 - So sánh kích thước hàng đợi trung bình của các loại dịch vụ...............88
Hình 4.15 - So sánh kích thước hàng đợi lớn nhất của các loại dịch vụ ..................90
Hình 4.16 - Đồ thị biểu diễn thời gian trễ trung bình của gói tin của từng dịch vụ .91
Hình 4.17 - So sánh thời gian trễ trung bình của gói tin của các loại dịch vụ.........93
Hình 4.18 - So sánh thời gian trễ lớn nhất của gói tin của các loại dịch vụ ............95

Đồn Đức Sinh

9


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong những năm gần đây, nhu cầu về băng thông đối với các dịch vụ viễn
thông đã gia tăng một cách đáng kể. Theo các chuyên gia thì sự gia tăng nhanh
của các mạng xảy ra, sẽ dẫn đến những thách thức mới đối với ngành cơng nghiệp
viễn thơng đó là sẽ phải đối mặt với một sự tiêu thụ năng lƣợng gia tăng của các
mạng.
Hiện nay, mạng viễn thông đƣợc phát triển theo hƣớng số hóa đa phƣơng tiện
tồn bộ và đồng bộ với mạng Internet. Điều này làm cho việc tìm kiếm phƣơng án
giải quyết truy nhập băng rộng có giá thành thấp, chất lƣợng cao đã trở nên cấp
thiết.

Cùng với sự phát triển của xã hội thông tin, nhu cầu sử dụng dịch vụ viễn thông
ngày càng tăng, từ thoại đến truyền số liệu, hình ảnh đa phƣơng tiện, đặc biệt là nhu
cầu về Internet. Việc tích hợp tất cả các dịch vụ vào cùng một mạng (cụ thể là một
đƣờng kết nối cho tất cả - all in one) đang trở nên cấp thiết và là vấn đề nóng bỏng
của mạng viễn thông tại các quốc gia trên thế giới.
Hiện nay, hiệu suất năng lƣợng của các mạng viễn thông đang nhận đƣợc sự chú
ý nhiều hơn so với trong quá khứ vì những nguyên nhân khách quan. Theo
thống kê đƣợc đƣa ra thì năng lƣợng điện chiếm 30% trong tổng số năng lƣợng
đƣợc tiêu thụ trên thế giới, trong đó mạng viễn thơng (hầu hết dùng năng lƣợng
điện) chiếm trên 8% tổng năng lƣợng điện tiêu thụ, tƣơng đƣơng 2.5% năng lƣợng
tiêu thụ trên thế giới. Và trong mạng viễn thơng thì riêng mạng truy nhập đã
chiếm trên 50% lƣợng điện tiêu thụ [12]. Những con số này đƣợc dự báo là sẽ gia
tăng rất nhanh trong những năm tiếp theo vì sự phát triển khơng ngừng nghỉ của các
mạng viễn thông.
Việc mạng truy nhập đƣợc đặc biệt quan tâm vì nó bao gồm nhiều thiết bị sử
dụng cuối, mà các thiết bị này làm tiêu tốn rất nhiều năng lƣợng. Việc truy nhập

Đoàn Đức Sinh

10


mạng là phân đoạn cuối cùng (hoặc đầu tiên) của mạng viễn thông. Chúng kết nối
trạm trung tâm của nhà cung cấp dịch vụ (CO) với các kết cuối sử dụng và tạo
thành phần lớn nhất của mạng. Chúng đòi hỏi năng lƣợng nhiều hơn ở các mạng lõi
hoặc mạng metro (thành phố) bởi vì chúng bao gồm một lƣợng lớn các thiết bị hoạt
động mà các thiết bị này tỷ lệ với số lƣợng của các kết cuối sử dụng.
Chính vì vậy, việc nghiên cứu các kỹ thuật tiết kiệm năng lƣợng là rất cần
thiết đối với sự phát triển các mạng viễn thơng trên thế giới nói chung và ở Việt
Nam nói riêng.

Luận văn này đã nghiên cứu tìm hiểu cơ chế, lập lịch phân bổ băng thơng để
tiết kiệm năng lƣợng trong mạng truy nhập quang thế hệ mới, cụ thể ở đây là mạng
quang thụ động - PON.
2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu kỹ thuật tiết kiệm năng lƣợng cho các mạng thế hệ mới

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu kỹ thuật phân bổ băng thông và lập lịch phân bổ băng thông tiết kiệm
năng lƣợng trong mạng thế hệ mới PON.
- Lập sơ đồ thuật toán và xây dựng chƣơng trình mơ phỏng bằng Matlab để đánh
giá hiệu năng mạng thế hệ mới PON.

4. Kết cấu luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, kết cấu luận văn gồm 4
chƣơng nhƣ sau:
- Chƣơng 1 - Mạng quang thụ động PON
- Chƣơng 2 - Cơ chế phân bổ băng thơng động

Đồn Đức Sinh

11


- Chƣơng 3 - Phân bổ băng thông động tiết kiệm năng lƣợng với các ONU ở
chế độ ngủ
- Chƣơng 4 - Mô phỏng và đánh giá hiệu năng mạng PON
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phƣơng pháp nghiên cứu xuyên suốt là kết hợp nghiên cứu lý thuyết và mô
phỏng bằng chƣơng trình Matlab.


Đồn Đức Sinh

12


CHƢƠNG I - MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG PON

1.1. Giới thiệu chƣơng
Hiện nay, mạng viễn thông đƣợc phát triển theo hƣớng số hóa đa phƣơng tiện
tồn bộ và đồng bộ với mạng Internet. Điều này làm cho việc tìm kiếm phƣơng án
giải quyết truy nhập băng rộng có giá thành thấp, chất lƣợng cao đã trở nên cấp
thiết.
Cùng với sự phát triển của xã hội thông tin, nhu cầu sử dụng dịch vụ viễn thông
ngày càng tăng, từ thoại đến truyền số liệu, hình ảnh đa phƣơng tiện, đặc biệt là nhu
cầu về Internet. Việc tích hợp tất cả các dịch vụ vào cùng một mạng (cụ thể là một
đƣờng kết nối cho tất cả - all in one) đang trở nên cấp thiết và là vấn đề nóng bỏng
của mạng viễn thông tại các quốc gia trên thế giới.
Mạng NGN ra đời đã thổi luồng gió mới vào thị trƣờng mạng viễn thông khi đƣa
ra các dịch vụ mới dựa trên giao thức IP và đƣa ra mạng riêng ảo VPN – một hƣớng
đi của các nhà cung cấp dịch vụ nhằm đáp ứng các nhu cầu của khách hàng bằng
các kết nối dạng any-to-any, các dịch vụ giá thành thấp, tích hợp xuyên suốt và
đồng bộ với các mạng Intranet/ Internet. Việc mạng truy nhập quang đang đƣợc
quan tâm và phát triển nhờ vào những ƣu điểm vƣợt trội về băng thơng lớn, ít suy
hao trên đƣờng truyền, giảm nhiễu, bảo mật đã mở ra hƣớng đi đầy tiềm năng và
vốn dĩ đã đƣợc kiểm nghiệm và chứng minh trong thực tế tại một số nƣớc tiên tiến.
Trong mạng truy nhập quang gồm có 2 mạng cơ bản: mạng quang tích cực AON và
mạng quang thụ động PON. Những lợi ích từ việc sử dụng kỹ thuật PON trong
mạng truy nhập tỏ ra thuận lợi hơn trong việc thiết kế mạng có thể đáp ứng cho
nhiều thuê bao với giá rất cạnh tranh. PON có những ƣu thế vƣợt trội AON nhƣng
cốt lõi ở chi phí thi cơng lắp đặt và bảo trì hệ thống phân phối ít tốn kém hơn, điều

này làm giảm chi phí cho cả nhà cung cấp dịch vụ và ngƣời sử dụng.
Chƣơng này sẽ trình bày về mạng truy nhập PON, khái quát về các cơ chế ghép
kênh đối với truyền hƣớng xuống và hƣớng lên, khái quát về cấu trúc chung của
Đoàn Đức Sinh

13


các khối thiết bị trong PON nhƣ là khối OLT và ONT/ONU. Sau cùng sẽ sơ lƣợc
về các tiêu chuẩn cho mạng PON.

1.2. Mạng PON
Mạng viễn thông hiện đại điển hình bao gồm ba phần chính: mạng trục chính
hoặc mạng lõi, mạng metro hoặc mạng vùng và mạng truy nhập. Mạng truy nhập
tƣợng trƣng cho phân đoạn cuối cùng của kết nối, nó liên kết trạm trung tâm của
nhà cung cấp dịch vụ (CO) với các ngƣời dùng cuối. Quá trình này cịn đƣợc gọi là
“chặng cuối”.
Có rất nhiều cơng nghệ truy nhập mạng khác nhau và đƣợc phân chia thành hai
loại chính: hữu tuyến và vơ tuyến. Trong các giải pháp hữu tuyến, một loại rất
phổ biến của mạng truy nhập là công nghệ FTTx (cáp quang đến mọi nơi). Công
nghệ FTTx sử dụng cáp quang để đƣa dịch vụ viễn thông đến các ranh giới của
không gian. FTTx có thể đƣợc dựa trên các cơng nghệ khác nhau nhƣng trong số
đó giải pháp mạng quang thụ động (PON) là có ƣu thế hơn cả.
Sự khác biệt chủ yếu của mạng quang chủ động (AON) và mạng quang thụ
động (PON) là ở chỗ PON sử dụng một thiết bị chia quang thụ động: passive
splitter. Về cơ bản, Splitter là một lăng kính khuếch tán tín hiệu ánh sáng tới khách
hàng không cần sử dụng thiết bị điện (một switch quang khơng dùng điện). Do
đó, nó có tên là thụ động, nhƣ phác họa trong Hình 1.1.
Lƣu lƣợng rỗi
nhƣng các đầu

thu ONT và các
đƣờng truyền
vẫn hoạt động

Hình 1.1 - Mạng PON với bộ chia quang thụ động Passive Splitter

Đoàn Đức Sinh

14


Các mạng viễn thông ở nƣớc ta hiện nay hầu nhƣ đều dựa trên các thiết bị
chủ động, tại thiết bị tổng đài của nhà cung cấp dịch vụ lẫn thiết bị đầu cuối của
khách hàng cũng nhƣ các trạm lặp, các thiết bị chuyển tiếp và một số các thiết bị
khác trên đƣờng truyền. Các thiết bị chủ động là các thiết bị mà cần phải cung cấp
nguồn cho một số thành phần, thƣờng là bộ xử lý, các chíp nhớ… Với mạng
PON, tất cả các thành phần chủ động giữa tổng đài CO và ngƣời sử dụng sẽ
không cịn tồn tại mà thay vào đó là các thiết bị quang thụ động, điều khiển lƣu
lƣợng trên mạng dựa trên việc phân tích năng lƣợng của các bƣớc sóng quang học
tới các điểm đầu cuối trên đƣờng truyền. Việc thay thế các thiết bị chủ động sẽ
tiết kiệm chi phí cho các nhà cung cấp dịch vụ vì họ khơng cịn cần đến năng lƣợng
và các thiết bị chủ động trên đƣờng truyền nữa.
PON là một công nghệ đã đƣợc nghiên cứu trên 20 năm. PON cũng là một
công nghệ mới và rất quan trọng đối với lớp mạng truy nhập yêu cầu băng thông
lớn nhƣ VoD (Video on Demand), FTTx... PON cũng là sự lựa chọn đối với các nhà
cung cấp dịch vụ viễn thông và dịch vụ truyền hình. Có rất nhiều cơng nghệ PON
khác nhau:
TPON (Telephony PONs) đƣợc triển khai vào những năm 90
BPON (Broadband PON) đƣợc chuẩn hóa dựa trên nền ATM năm 1998
EPON (Ethernet PON), GPON (Gigabit PON) ra đời năm 2003, 2004

WPON (Wavelength Division PON)
Các nhà cung cấp thiết bị và các nhà máy đã cho ra đời các sản phẩm về
công nghệ này. Không giống các công nghệ mạng truy nhập khác là dùng cáp đồng
làm môi trƣờng truyền dẫn. Môi trƣờng truyền dẫn của công nghệ PON sử dụng
cáp quang. Với công nghệ này, yêu cầu các nhà khai thác dịch vụ và các kỹ sƣ phải
có kiến thức cơ bản về công nghệ truyền dẫn dựa trên cáp sợi quang, kiến thức về
công nghệ mạng và giao thức MAC (Media Access Control).
Mơ hình của PON đƣợc mơ tả nhƣ trong Hình 1.2.

Đồn Đức Sinh

15


Hình 1.2 - Mạng PON

OLT (Optical Line Terminal) là thiết bị kết cuối kênh quang đặt tại điểm chuyển
mạch của nhà cung cấp dịch vụ. Đây có thể đƣợc coi là thiết bị chuyển mạch quang
với các giao diện quang Uplink là NxGE hoặc Nx10GE kết nối đến mạng MAN-E.
Giao diện Downlink đƣợc gọi là các PON Port kết nối đến Splitter trƣớc khi đến
thiết bị đầu cuối khách hàng ONT.
ONT (Optical Network Terminal) là thiết bị kết cuối mạng quang đặt tại nhà
khách hàng hoặc B-ONT đặt tại doanh nghiệp (Bussiness ONT). Phần mạng tồn tại
giữa OLT và ONT đƣợc gọi là mạng phân phối quang (Optical Distribution
Network - ODN).
ONU (Optical Network Unit): thiết bị kết cuối mạng cáp quang tích cực, kết nối
với OLT thơng qua mạng phân phối quang (ODN) thƣờng dùng cho trƣờng hợp kết
nối tới buiding hoặc tới các vỉa hè, cabin (FTTB, FTTC, FTTCab).
Splitter là bộ chia thụ động (không sử dụng nguồn điện), có thể chia đến 1:128
và có thể đƣợc triển khai làm nhiều cấp, trong đó tối đa 2 cấp đối với mạng ODN

(Optical Distribution Network), thƣờng đƣợc đặt tại các điểm phân phối quang (DP)

Đoàn Đức Sinh

16


và các điểm truy nhập quang (AP). Nhiệm vụ của bộ chia là thu và nhận các tín
hiệu quang đƣợc nhận và phát bởi OLT.
Cáp sợi quang truyền từ OLT sẽ trải dài và kết nối tới mỗi ONT/ONU. Các
bƣớc sóng truyền 1490 nm (hoặc 1550 nm tùy theo lựa chọn) đƣợc dùng cho băng
thông chiều xuống từ OLT, trong đó các bƣớc sóng 1310 nm sẽ đƣợc truyền theo
hƣớng lên bởi mỗi thiết bị ONT/ONU [1]. Hệ thống cung cấp địa chỉ, cung cấp
băng thông một cách tự động cũng nhƣ việc mã hóa đƣợc sử dụng để duy trì và
phân tích lƣu lƣợng giữa OLT và ONT/ONU.

Hình 1.3 - Bước sóng truyền trong mạng PON

Các hệ thống TDM-PON gán trƣớc một tỷ lệ phân chia cố định băng thơng
hƣớng lên cho các ONT/ONU mà khơng quan tâm có bao nhiêu dữ liệu đƣợc gửi
đi. Một giải pháp để phân bổ băng thông cho các ONT là sử dụng giao thức
phân bổ băng thông động DBA (Dynamic Bandwidth Allocation). DBA là giao
thức cho phép các ONT/ONU gửi yêu cầu về băng thông tới OLT nhằm sử dụng
hiệu quả băng thơng hƣớng lên. Các thơng tin u cầu có thể là các mức đầy
hàng đợi đầu vào cho các lớp dịch vụ khác nhau. OLT đánh giá các yêu cầu từ các
ONT/ONU và gán băng thông cho gửi dữ liệu hƣớng lên ở lần kế tiếp theo. OLT
cũng có thể tích hợp chức năng thỏa thuận mức dịch vụ SLA (Service Level
Agreement) để kết hợp với DBA trong việc phân bổ băng thơng.

Đồn Đức Sinh


17


Thông thƣờng các hệ thống PON truyền dữ liệu cả hƣớng xuống và hƣớng
lên trong cùng một sợi quang. Trên mỗi sợi mặc dù các bộ nối định hƣớng cho
phép sử dụng cùng một bƣớc sóng cho cả 2 hƣớng, tuy nhiên đối với các hệ
thống truyền tải tốc độ cao để đảm bảo chất lƣợng thì thơng thƣờng mỗi hƣớng
sử dụng một bƣớc sóng riêng.
Thật vậy, PON đã tạo nên một sự lựa chọn đang phổ biến dành cho các mạng
truy nhập quang bởi vì chúng có chi phí thấp và ít tiêu tốn năng lƣợng. Các ƣu điểm
này là kết quả của sự kết hợp hai yếu tố chính, đó chính là các thành phần mang tính
thụ động và một lƣợng rất ít các bộ thu phát.
Thứ nhất, PON chỉ bao gồm các thành phần thụ động trong thiết bị của
chúng. Bởi vì, các bộ chia đƣợc sử dụng để đƣa tín hiệu đến tất cả ngƣời dùng cuối
chỉ là các thiết bị thụ động (nhƣ đã nói ở trên). Điều này có nghĩa là chúng khơng
cần cung cấp năng lƣợng để hoạt động, dẫn đến sự tiêu thụ năng lƣợng thấp so với
các mạng quang chủ động (AON). Hơn nữa, các thành phần thụ động không cần
phải bảo dƣỡng nhiều và có thời gian trung bình giữa các sai hỏng (MTBF_mean
time between failures) cao.
Thứ hai, cấu trúc của PON (nhƣ trong Hình 1.4) chỉ quản lý một lƣợng các bộ
thu phát nhỏ. Các bộ thu phát này là một trong những nguồn tiêu thụ năng lƣợng
chính. Cáp quang hỗ trợ cho việc truyền tín hiệu quang, trong đó việc xử lý tín hiệu
đƣợc thực hiện thơng qua các thiết bị điện tử số. Do vậy, một bộ thu phát đƣợc cần
thiết tại mỗi đầu của mỗi kết nối để chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu số và
ngƣợc lại. Khi một mạng truy nhập có một lƣợng lớn các ngƣời dùng cuối thì việc
sử dụng kết nối điểm – điểm thuần túy dựa trên sợi quang sẽ là một giải pháp rất tốn
kém. Ví dụ, nếu có N ngƣời dùng cuối thì phải cần 2N bộ thu phát.
Giải pháp PON sẽ làm giảm số lƣợng bộ thu phát đi dựa vào cấu trúc nhƣ
trong Hình 1.4 sau:


Đoàn Đức Sinh

18


Hình 1.4 - Cấu trúc tổng quan của một giải pháp PON

Trong PON, sợi cáp đơn đi đến bộ chia quang thụ động, tại đó tín hiệu đƣợc
ghép lên thành N tuyến khác nhau, dành cho N khách hàng. Cấu trúc liên kết điểmđa điểm này đòi hỏi chỉ một sợi cáp đƣờng ra và nó cho phép số lƣợng tối thiểu các
bộ thu phát là N+1.
Một vùng chia lớn của cấu trúc hạ tầng mạng đƣợc chia ra trong số các ngƣời
dùng khác nhau, do đó các chi phí liên quan cũng đƣợc chia ra. Điều này làm cho
PON trở thành một giải pháp có chi phí thấp cho khách hàng. Hơn nữa, PON có thể
hỗ trợ một phạm vi rộng của các ứng dụng bao gồm triple-play (các dịch vụ thoại,
dữ liệu và video) qua một sợi cáp đơn.
Kiến trúc tổng quan của PON đƣợc phác họa nhƣ trong Hình 1.5 sau:

Đồn Đức Sinh

19


Hình 1.5 – Kiến trúc tổng quan của mạng PON

Thiết bị đầu cuối đƣờng dây (OLT) đƣợc đặt tại trạm trung tâm. Nó gửi và
nhận các bản tin và dữ liệu đến và từ các bộ kết nối đầu cuối (ONU). Các bộ kết nối
đầu cuối này có thể đƣợc đặt tại nơi ngƣời sử dụng hoặc trong thuê bao lân cận để
chấm dứt đƣờng truyền cáp quang và cung cấp các tín hiệu điện qua dây dẫn kim
loại đến các thuê bao. Do đó, các ONU nhận dữ liệu từ OLT và chuyển đổi tín hiệu

quang thành tín hiệu điện.
Các bộ thu phát quang đƣợc đặt tại OLT và các ONU sử dụng các bƣớc sóng
khác nhau để truyền và nhận các tín hiệu quang. Bằng cách này việc truyền hƣớng
xuống (từ OLT đến các ONU) và truyền hƣớng lên (từ các ONU đến OLT) có thể
chia sẻ chung đƣờng truyền vật lý. Kênh truyền hƣớng xuống có tính chất quảng bá.
Ở hƣớng xuống, PON giống nhƣ mạng điểm đến đa điểm. Do đó, OLT có thể quản
lý tồn bộ băng thơng sẵn có. Thay vào đó, đƣờng truyền hƣớng lên là một kết nối
đa điểm đến điểm. Tất cả các ONU dùng chung một kênh để liên lạc với OLT. Do
đó, các ONU chỉ có thể truyền hƣớng lên đến OLT và chúng không thể biết đến
việc truyền của các ONU khác. Vấn đề chính là ở chỗ vì một kết nối nhƣ vậy mà dữ
liệu đƣợc truyền bởi các ONU khác nhau có thể gây ra xung đột. Do đó, cơ chế
Đồn Đức Sinh

20


kênh truyền riêng thì cần thiết để chia sẻ tài ngun băng thơng hợp lí và tránh đƣợc
các xung đột dữ liệu. Vì vậy, OLT làm nhiệm vụ điều khiển và quản lý cơ chế này
để các ONU có thể thực hiện việc truyền hƣớng lên một cách chính xác.
Hiện nay có ba loại mạng PON: TDM-PON, WDM-PON và CDMA-PON.
Mỗi loại đƣợc phân biệt bằng một phƣơng pháp ghép kênh khác nhau của các tín
hiệu vận chuyển. Mạng PON ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) thực hiện
ghép các bản tin liên quan đến các ONU khác nhau theo miền thời gian. Điều này
có nghĩa là các khung đƣợc đánh địa chỉ đến các ONU khác nhau đƣợc truyền ở
những thời điểm khác nhau trong hƣớng xuống, trong khi việc truyền hƣớng lên
đƣợc thực hiện bằng việc gán các khe thời gian khác nhau đến các ONU theo thuật
toán TDMA (truy cập đa phân chia theo thời gian). Trong khi đó, mạng PON ghép
kênh phân chia theo bƣớc sóng (WDM) thì sử dụng một bƣớc sóng khác nhau cho
mỗi kênh truyền đƣợc thiết lập giữa OLT và một ONU. Do đó, các khung đƣợc
đánh địa chỉ đến và xuất phát từ các ONU khác nhau vận chuyển theo các bƣớc

sóng khác nhau và tạo nên các tín hiệu đƣợc ghép theo miền bƣớc sóng. Cơng nghệ
đa truy nhập phân chia theo mã CDMA cũng có thể triển khai trong các ứng dụng
PON. Cũng giống nhƣ WDM-PON, CMDA-PON cho phép mỗi ONU sử dụng
khuôn dạng và tốc độ dữ liệu khác nhau tƣơng ứng với các nhu cầu của khách hàng.
CDMA PON cũng có thể kết hợp với WDM để tăng dung lƣợng băng thông.

1.3. Mạng PON ghép kênh phân chia theo thời gian
Trong mạng TDM-PON, các tín hiệu đƣợc ghép theo miền thời gian và đƣợc
phân bố trên toàn mạng nhờ các bộ chia năng lƣợng thụ động đƣợc đặt tại các nút
mạng.
Nhƣ trong Hình 1.6, trong hƣớng truyền xuống, dữ liệu đƣợc mã hóa theo ID của
ONU nhận và truyền theo phƣơng thức Broadcast, tại một thời điểm tất cả các ONU
đều nhận đƣợc dữ liệu từ OLT tuy nhiên chỉ có ONU có ID phù hợp mới giải mã
đƣợc dữ liệu.
Đoàn Đức Sinh

21


Hình 1.6 - Nguyên lý truyền dữ liệu hướng xuống theo phương thức quảng bá
Nhƣ trong Hình 1.7, trong hƣớng truyền lên, dữ liệu đƣợc truyền theo phƣơng
thức đa truy nhập phân chia theo thời gian TDM (Time Division Multiplexing).
ONU muốn truyền dữ liêu phải đăng ký với OLT để đƣợc cấp phát time-slot. OLT
sẽ truyền tín hiệu đồng bộ đến các ONU và chỉ định time-slot dành cho mỗi ONU.
Theo chu kỳ thời gian, ONU sẽ đƣợc phép truyền dữ liệu tại time-slot đã đƣợc OLT
phân bổ.

Hình 1.7 - Nguyên lý truyền dữ liệu hướng lên theo cơ chế ghép kênh phân
chia theo thời gian (TDM)


Đoàn Đức Sinh

22


Tất cả các ONU dùng chung chỉ một kênh truyền. Kết quả là các xung đột có thể
xảy ra giữa dữ liệu đƣợc gửi bởi các ONU khác nhau. Để ngăn ngừa điều này, các
chuẩn TDM-PON đƣa ra các kế hoạch truy cập đa phân chia theo thời gian.
Theo các kế hoạch đó, kênh truyền hƣớng lên đƣợc phân chia thành các khe
thời gian riêng rẽ, mỗi khe đƣợc gán với một ONU theo một số thuật tốn.
Để tính tốn khe thời gian nào đã đƣợc gán cho các ONU đối với truyền
hƣớng lên, thì lƣu lƣợng hƣớng xuống sẽ mang các tín hiệu trợ cấp mà đã lập lịch
cho lƣu lƣợng hƣớng lên. Sự phân phối tín hiệu trợ cấp này phải xem xét đến thời
gian lan truyền khác nhau đƣợc yêu cầu để đi đến mỗi ONU. Đề cập đến vấn đề
này, các chuẩn PON định nghĩa “cơ chế xác định cự ly”. Đầu tiên nó quản lí phép
đo khoảng cách logic giữa mỗi ONU và OLT. Bằng cách này, việc lập lịch các tín
hiệu trợ cấp cho lƣu lƣợng hƣớng lên có thể đƣợc điều chỉnh theo thời gian truyền
để các khung hƣớng lên đƣợc gửi bởi các ONU khác nhau khơng bị xung đột.
Vì các ONU tiếp nhận tất cả các khung với năng lƣợng không đổi, nên chúng có
thể đƣợc trang bị bằng các bộ thu đơn giản hơn, điều này làm giảm đƣợc chi phí.
Ngƣợc lại, OLT nhận các khung ở các năng lƣợng khác nhau, điều này làm cho việc
khôi phục đồng bộ khó khăn hơn nhiều. Do đó, tại OLT cần một bộ thu ở chế độ
truyền từng khối (burst mode). Thành phần thiết bị này phức tạp hơn thành phần
đƣợc đặt ở ONU và tốn kém hơn nhiều.
Thiết bị đầu cuối đƣờng dây (OLT) trong cơng nghệ TDM có cấu trúc nhƣ sau:

Hình 1.8 - Cấu trúc chung của OLT
Đồn Đức Sinh

23



Các card OLT nhƣ trên có thể đƣợc đặt tại CO (trạm trung tâm). Mỗi card
OLT có lớp MAC (điều khiển truy n h ậ p m ô i t r ƣ ờ n g ) và lớp PMD (phụ
thuộc mơi trƣờng vật lý) của riêng mình và phục vụ cho một PON riêng biệt. Giao
diện mạng dịch vụ (SNI) hoạt động nhƣ một giao diện giữa OLT và mạng xƣơng
sống. Lớp tƣơng thích dịch vụ cung cấp chuyển đổi giữa các định dạng tín hiệu
xƣơng sống và các tín hiệu vùng PON. Lớp MAC lập lịch quyền sử dụng liên
kết quang chia sẻ nhằm ngăn chặn va chạm giữa các ONU truyền hƣớng lên. Lớp
PMD xác định bộ thu phát quang và bộ phối bƣớc sóng.
Bộ kết nối đầu cuối điển hình (ONU) trong cơng nghệ TDM có cấu trúc nhƣ
sau:

Hình 1.9 - Cấu trúc chung của ONU

Các lớp PMD và MAC có các chức năng tƣơng tự nhƣ trong OLT. Sự khác biệt
duy nhất là, trong khi lớp MAC của ONU có vai trị làm “tớ” thì MAC của OLT có
vai trị làm “chủ” trong sự phân chia khe thời gian qua môi trƣờng vật lý dùng
chung. Dịch vụ MUX/DMUX có các chức năng ghép kênh cho các giao diện
khách hàng khác nhau. Lớp tƣơng thích dịch vụ có chức năng chuyển đổi giữa định
dạng tín hiệu u cầu cho kết nối thiết bị khách hàng và định dạng tín hiệu PON.
Đồn Đức Sinh

24