Mạng truy nhập quang thụ động Ethernet - EPON và phân phối băng thông trong EPON

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 hay còn gọi là 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 nhập thuê bao, hầu hết các luồng lưu lượng lên và xuống không phải là Peer to Peer. 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 SDM mà nó tách PON được cung cấp theo hướng truyền lên xuống. Để tiết kiệm 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 λ1=1310nm, hướng xuống λ2=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 3.9 : 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 nhập 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. 3.5.2 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 ONU 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 3.6. Trong đó, WDM-PON có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau như là FTTx, các ứng dụng cho 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 như 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 3.10 : 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 cập mạng không dây. 3.6 So sánh PON với công nghệ mạng quang chủ 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: vntelecom.org Hình 3.11: So sánh mạng quang chủ động và mạng quang bị động 3.7 Kết luận chương Nội dung Chương 3 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 sự kết hợp công nghệ Ethernet vào mạng truy nhập quang thụ động. Chương 4 MẠNG TRUY NHẬP QUANG THỤ ĐỘNG ETHERNET-EPON Sự vượt trội về khả năng truyền dữ liệu của mạng quang thụ động PON là không phủ nhận, nhưng để khai thác tối đa khả năng của nó thì còn tuỳ thuộc vào công nghệ được lựa chọn trong truyền tải. Chương này trình bày sự kết hợp cộng nghệ Ethernet trong mạng truy nhập quang thụ động gọi tắt EPON 4.1 Nhu cầu của mạng quang thụ động Ethernet 4.1.1 So sánh mạng GPON và EPON Có lẽ sự khác biệt lớn nhất giữa hai giao thức là sự khác nhau ở cấu trúc. GPON cung cấp 3 mạng lớp 2: ATM cho thoại , Ethernet cho dữ liệu và đóng gói riêng cho thoại. Mặt khác, EPON dùng mạng lớp 2 đơn sử dụng IP để mang dữ liệu, thoại và video. Giải pháp truyền đa điểm hỗ trợ cấu trúc GPON. Sử dụng kĩ thuật ATM, nhưng mạch ảo được phân bố cho những loại dịch vụ khác nhau gửi từ vị trí tổng đài trung tâm tới user đầu cuối kinh doanh. Kiểu vận chuyển này cung cấp dịch vụ chất lượng cao, nhưng bao hàm cả mào đầu bởi vì mạch ảo cần được phân bố cho mỗi loại dịch vụ. Hơn nữa, thiết bị GPON yêu cầu nhiều sự chuyển đổi giao thức, phân đoạn và ghép lại, đầu cuối kênh ảo và giao thức điểm - điểm. EPON cung cấp liên kết liên mạch cho bất kì loại truyền thông dựa trên nền IP hay truyền thông gói. Khi thiết bị Ethernet tồn tại từ mạng gia đình trên tất cả các đường tới mạng đường trục vùng, quốc gia và toàn cầu, thực hiện EPON có hiệu quả kinh tế cao . Hơn nữa, dựa vào sự tiến bộ liên tục trong tốc độ truyền dẫn dựa trên Ethernet - bây giờ lên tới 10 Gigabit Ethernet - mức độ dịch vụ EPON cho khách hàng có thể từ luồng T1 lên tới 1 Gbps. Rõ ràng, có vài sự khác biệt riêng giữa EPON và GPON ở lớp 2. Tuy nhiên, không chỉ có sự khác biệt ở kĩ thuật. Những nhà thiết kế cũng sẽ tìm ra những sự khác biệt theo quan điểm: băng thông, phạm vi, hiệu quả, giá thành trên một thuê bao và quản lý. Hình 4.1: Mạng GPON thực tế Hình 4.2: Mạng EPON thực tế Sự khác nhau đó thể hiện ở những yếu tố sau: Băng thông sử dụng : Băng thông thay đổi giữa hai giao thức : GPON có tốc độ chiều xuống là 1.25 Gbps hay 2.5 Gbps và băng thông chiều lên dao động từ 155 Mbps tới 2.5 Gbps. EPON phân phối băng thông đối xứng 1Gbps. Dịch vụ Gigabit Ethernet của EPON thiết lập 1Gbps của băng thông cho dữ liệu và 250 Mbps của băng thông cho mã hóa. Phương pháp của EPON, như phần tiêu chuẩn Gigabit Ethernet, giống như phương pháp của Fast Ethernet cũng sử dụng 25% cho mã hóa. Dịch vụ 1.25 Gbps của GPON xác định băng thông sử dụng là 1.25 Gbps, không yêu cầu cho mã hóa. Có phải GPON sẽ thêm vào băng thông 250 Mbps như là một ưu điểm của GPON không? Câu trả lời không dựa vào sự so sánh băng thông nhưng trong thực tế GPON vẫn dùng đường lên 1.25 Gbps. Giao diện Gigabit Ethernet cho chuyển mạch tổng hợp, tổng đài trung tâm, và mạng metro hiện là cách thức tối ưu cho cổng truyền tốc độ 1Gbit. Không có bộ chuyển mạch tối ưu nào có khả năng truyền 1.25 Gbit, giá tiền băng thông mà GPON thêm có thể mua thiết bị EPON . Mặt khác, đường lên giá thấp cho dự đoán tương lai là Gigabit Ethernet, tốc độ bit chính xác của EPON. Ở điểm này, băng thông GPON thêm vào không thể chứng tỏ có lợi cho nhà cung cấp. Phạm vi : Với một giao thức, hạn chế thực tế xuất phát từ số lượng liên kết quang. Với phạm vi của cả hai giao thức hiện tại xác định ở khoảng cách xấp xỉ 20 km, sự khác nhau ở tốc độ tách - số ONU được hỗ trợ bởi một OLT - là một điểm khác biệt. GPON sẽ hỗ trợ lên tới 128 ONU. Với tiêu chuẩn EPON, không hạn chế số ONU. Phụ thuộc vào độ lớn diode laser, khi sử dụng cáp quang giá thấp, EPON có thể phân chia 32 ONU trên một OLT, hoặc 64 với sửa lỗi chuyển tiếp. Giá thành trên một thuê bao: Sử dụng EPON cho phép nhà cung cấp loại trừ thiết bị ATM và SONET mắc tiền và phức tạp và để đơn giản mạng, giá thành thấp hơn cho thuê bao. Giá thiết bị EPON xấp xỉ 1/10 giá thiết bị GPON và thiết bị EPON nhanh chóng trở thành giá cạnh tranh với VDSL. Hiệu quả mỗi tiêu chuẩn : Với hai giao thức PON, phần mào đầu được thêm vào cố định để truyền dữ liệu người dùng ở dạng gói . Trong EPON, truyền dữ liệu xảy ra ở gói có chiều dài thay đổi lên tới 1518 byte cùng với giao thức IEEE802.3 cho Ethernet. Trong ATM PON, bao gồm cả GPON, truyền dữ liệu xảy ra ở cell 53 byte có chiều dài cố định với 48 byte dữ liệu và 5 byte mào đầu như giao thức ATM xác định. Định dạng này không hiệu quả cho GPON mang lưu lượng định dạng cùng với IP, những cuộc gọi truyền dữ liệu này được phân đoạn thành những gói có chiều dài thay đổi 65,535 byte. Đối với mạng GPON mang lưu lượng IP, các gói bị chia thành những đoạn 48 byte với 5 byte header cho mỗi đoạn. Quá trình này tốn nhiều thời gian và phức tạp và thêm chi phí cho OLT tổng đài trung tâm cũng như ONU đưa vào nhà khách hàng. Hơn nữa, 5 byte băng thông bị lãng phí cho mỗi đoạn 48 byte, tạo ra một mào đầu được xem như chi phí phải trả cho cell ATM. Đây là trường hợp với chế độ đóng gói ATM của GPON . Ở những chế độ đóng gói khác , được gọi là GEM , chi phí phải trả cho cell ATM không được ứng dụng. Ngược lại, để sử dụng gói có chiều dài thay đổi, Ethernet mang lưu lượng IP và có thể giảm đáng kể mào đầu liên quan tới ATM. Một nhà nghiên cứu cho rằng khi phân phối kích thước gói 3 chế độ, mào đầu đóng gói gói Ethernet là 7.42 % trong khi mào đầu đóng gói gói ATM là 13.22%. Thêm vào đó, khi khung Ethernet chứa tỉ lệ dữ liệu cho mào đầu cao hơn GPON, sự áp dụng cao có thể được đưa ra trong khi sử dụng cáp quang giá thấp. Định thời cho kết quả GPON càng chính xác thì giá cáp quang càng đắt. Cáp quang độ chính xác cao bắt buộc là một phần của tiêu chuẩn GPON. Quản lý hệ thống : EPON yêu cầu hệ thống quản lý đơn, trái với ba hệ thống quản lý cho ba giao thức lớp 2 ở GPON, nghĩa là những kết quả EPON trong tổng chi phí thấp hơn quyền sở hữu. EPON cũng không yêu cầu sự chuyển đổi đa điểm. GPON không hỗ trợ dịch vụ multicast, đưa ra hỗ trợ cho video IP hơn là chi phối băng thông. Hỗ trợ overlay CATV: Cả hai giao thức hỗ trợ overlay truyền hình cáp CATV , đưa ra yêu cầu cho dịch vụ video chiều xuống tốc độ cao. Bước sóng EPON là 1490 nm chiều xuống và 1310 nm chiều lên, bỏ lại bước sóng 1550 nm cho overlay CATV - giống bước sóng cho BPON và GPON. Mã hóa: Với GPON, mã hóa là một phần của tiêu chuẩn ITU. Tuy nhiên, mã hóa GPON chỉ có ở chiều xuống. EPON sử dụng cơ cấu dựa vào tiêu chuẩn mã hóa mở rộng AES - Advanced Encryption Standard, được hỗ trợ bởi nhiều nhà cung cấp. Hơn nữa, mã hóa EPON có ở cả chiều xuống và chiều lên. Bảo vệ mạng: Cả hai giao thức cung cấp chức năng bảo vệ sóng mang cụ thể và nhà khách hàng cụ thể. Điều này bao gồm hỗ trợ chức năng vận hành, quản trị và bảo dưỡng sóng mang cụ thể và nhà khách hàng cụ thể. 4.1.2 Kết luận EPON là sự kết hợp giữa mạng truy nhập quang thụ động PON và công nghệ Ethernet nên nó mang ưu điểm của cả hai công nghệ này. Việc triển khai EPON mang lại lợi ích rất to lớn bao gồm: Băng thông cao hơn: EPON sẽ cung cấp băng thông cao nhất cho người dùng trong bất kỳ hệ thống truy cập quang thụ động nào. Tốc độ lưu lượng hướng xuống là 1Gbps và lưu lượng lên từ 64 ONU có thể vượt quá 800 Mbps. Với khả năng cung cấp băng thông rất lớn như vậy, EPON có một số lợi ích sau: Số lượng thuê bao trên một mạng PON lớn. Băng thông trên mỗi thuê bao nhiều. Khả năng cung cấp video. Chất lượng dịch vụ tốt hơn. Chi phí đầu tư thấp hơn: Hệ thống EPON đang khắc phục giữa chi phí và hiệu suất bằng sợi quang và các lênh kiện Ethernet. EPON cung cấp các chức năng và đặc tính sợi quang với giá có thể so sánh được với DSL và cáp đồng T1s. Hơn nữa, việc giảm chi phí đạt được nhờ kiến trúc đơn giản, hiệu quả hoạt động cao và chi phí bảo dưỡng thấp. EPON chuyển giao những cơ hội giảm giá sau: Loại trừ những phần tử ATM và SONET phức tạp và đắc đỏ. Các lênh kiện quang thụ động sống lâu đã giảm được chi phí bảo dưỡng. Những giao diện Ethernet chuẩn loại trừ nhu cầu cho DSL và Modem cáp bổ sung. Nhiều lợi nhuận hơn: EPON có thể hổ trợ đồng thời các dịch vụ thoại, dữ liệu và video, cho phép nhà cung cấp nâng cao dịch vụ băng rộng và linh hoạt. Ngoài ra, nó cũng cung cấp các dịch vụ truyền thống như POST, T1, 10/100 Base-T, hổ trợ các dịch vụ trên nền ATM, TDM-Time Division Multiplexing và SONET. 4.2 Tiêu chuẩn mạng quang thụ động Ethernet IEEE thành lập một nhóm nghiên cứu có cuộc họp đầu tiên vào tháng 1 năm 2001. EFM nhanh chóng trở thành một trong những nhóm nghiên cứu được tham gia nhiều nhất. Nhóm nghiên cứu EFM tập trung vào việc đưa Ethernet vào vòng lặp thuê bao nội bộ theo những yêu cầu của mạng truy nhập dân cư và mạng truy nhập thương nghiệp. Trong khi điều này có thể trở thành nhiệm vụ đơn giản thì thực tế những yêu cầu của nhà cung cấp tổng đài nội hạt lại khác với những yêu cầu của mạng xí nghiệp tư nhân trong việc thiết kế Ethernet. Để phát triển Ethernet cho mạng thuê bao nội hạt, nhóm nghiên cứu EFM tập trung vào 4 tiêu chuẩn chính: Ethernet qua cáp đồng Ethernet qua cáp quang điểm - điểm Ethernet qua cáp quang điểm - đa điểm và nó được xem như mạng EPON Vận hành, quản lý và bảo dưỡng OAM Tầm quan trọng của EFM ở cáp quang và cáp đồng đều đánh giá cho công nghệ first mile và chúng hợp với nhau bằng hệ thống OAM chung, đặc biệt là có tầm nhìn tốt do nó cho phép nhân viên vận hành mạng nội bộ lựa chọn Ethernet để sử dụng nền phần cứng và quản lý chung. Ở mỗi tiêu chuân này , đặc điểm lớp vật lý mới được bàn luận và thông qua để đưa ra những yêu cầu của nhà cung cấp dịch vụ trong khi vẫn lưu trữ tính toàn vẹn của Ethernet. Để phát triển đề tài này, nhóm nghiên cứu phải chứng tỏ rằng những đặc điểm kĩ thuật thỏa mãn 5 chỉ tiêu sau đây: Tiềm năng thị trường rộng Tương thích với cấu trúc 802 bao gồm việc bắc cầu và cơ sở dữ liệu thông tin quản lý MIB-Management Information Base Nhận dạng riêng biệt, ví dụ như sự khác biệt từ những tiêu chuẩn IEEE 802 khác Tính khả thi kĩ thuật Tính khả thi kinh tế 4.3 Nguyên tắc hoạt động của mạng truy nhập quang thụ động Ethernet EPON là một mạng PON nền tảng mà nó mang lưu lượng dữ liệu được đóng gói trong các khung Ethernet. Nó sử dụng chuẩn mã đường truyền 8b/10b tức 8 bit người dùng được mã hoá như 10 bit đường truyền và hoạt động ở tốc độ chuẩn của Ethernet. 4.3.1 Nguyên lý hoạt động Chuẩn IEEE 802.3 định nghĩa hai cấu hình cơ bản cho một mạng Ethernet. Một cấu hình mà trong đó các trạm triển khai chung môi trường truyền dẫn sử dụng giao thức đa truy cập sóng mang có phát hiện xung đột. Trong cấu hình còn lại, các trạm sẽ giao tiếp với nhau thông qua một chuyển mạch sử dụng các tuyến kết nối điểm- điểm và song công. Tuy nhiên, EPON có một số đặc tính mà khiến cho nó không thể triển khai trên một trong hai cấu hình này mà thay vào đó ta phải kết hợp cả hai. Ở hướng xuống, EPON hoạt động như một mạng quảng bá. Khung Ethernet được truyền bởi OLT qua bộ chia quang thụ động 1: N đến từng ONU với N trong khoảng từ 4 đến 64. ONU sẽ lọc bỏ các gói tin không phải là của nó nhờ vào địa chỉ MAC trước khi truyền các gói tin còn lại đến người dùng. Nguồn: © 2004 Ethernet in the First Mile Alliance Hình 4.3: Lưu lượng hướng xuống trong EPON Ở hướng lên, vì đặc tính định hướng của bộ kết hợp quang thụ động, khung dữ liệu từ bất kỳ ONU nào chỉ đến OLT mà không đến các ONU khác. Trong trường hợp đó thì ở hướng lên đặc tính của EPON giống như kiến trúc điểm - điểm. Tuy nhiên, không giống như mạng điểm - điểm thật sự, các khung dữ liệu trong EPON từ các ONU khác nhau được truyền đồng thời vẫn có thể bị xung đột. Vì vậy, ở hướng lên tức là từ người dùng đến mạng, ONU cần sử dụng một vài cơ chế tránh xung đột dữ liệu và chia sẽ dung lượng kênh quang hợp lý. Ở đây, luồng dữ liệu hướng lên được phân bố theo thời gian Nguồn: © 2004 Ethernet in the First Mile Alliance Hình 4.4: Lưu lượng hướng lên trong EPON Tất cả các ONU được đồng bộ hoá với một tham chiếu thời gian chung và mỗi ONU được phân bổ một khe thời gian. Mỗi khe thời gian có khả năng mang nhiều khung Ethernet. Một ONU nên có bộ đệm khung nhận được từ một thuê bao cho đến khi khe thời gian của nó đến. Khi khe thời gian của nó đến, các ONU sẽ "gắn" tất cả các khung được lưu trữ ở tốc độ kênh đầy đủ mà phải tương ứng với một mức tiêu chuẩn Ethernet Nếu không có khung nào trong bộ đệm để điền vào khe thời gian thì 10 bit không tải trọng sẽ được truyền. Sự sắp xếp định vị khe thời gian hợp lý có thể định vị tĩnh sử dụng phương thức truy nhập phân chia theo thời gian cố định, hoạt động dựa vào hàng đợi tức thời trong từng ONU. Có nhiều mô hình định vị như là định vị dựa vào quyền ưu tiên của dữ liệu, dựa vào chất lượng dịch vụ QoS hay dựa vào mức dịch vụ cam kết SLAs-Service Level Agreements... Giao thức điều khiển đa điểm : MPCP-Multi Point Control Protocol 4.3.2.1. Cấu trúc khung MPCP Khung MPCP thường được nói đến như đơn vị dữ liệu MPCP gọi tắt là MPCPDU - MPCP Data Units. MPCP xác định năm bản tin sử dụng để trao đổi thông tin giữa OLT và ONU: GATE, REPORT, REGISTER_REQ, REGISTER và REGISTER_ACK. Hình 4.5: Đinh dạng chung khung MPCP Tất cả MPCPDU là khung điều khiển bao gồm những vùng sau: Địa chỉ đích - Destination Address: trường địa chỉ đích khung điều khiển MAC chứa 48 bit địa chỉ trạm chứa khung đó. Ngoại trừ bản tin REGISTER, tất cả MPCP Data Units sử dụng 48 bit địa chỉ multicast phân công toàn cầu C2-00-00-0116. Khung REGISTER sử dụng địa chỉ MAC riêng của ONU đích. Địa chỉ nguồn - Source Address: trường địa chỉ nguồn khung điều khiển MAC chứa 48 bit địa chỉ riêng của trạm gửi khung. Trong thiết bị OLT chức năng mô phỏng topo logic LTE – Logic Topology Emulation, phân giới giao diện môi trường gigabit độc lập GMII riêng với nhiều trường hợp địa chỉ MAC và những trường hợp này có thể được gán địa chỉ duy nhất. Những khung bắt đầu ở thiết bị OLT nên sử dụng địa chỉ nguồn kết hợp với trường hợp địa chỉ MAC truyền khung. Length/type: trường chiều dài / loại khung điều khiển MAC, là vùng 2 octet chứa giá trị hệ thập lục 88-08. Giá trị này được gán toàn cầu để xác định khung điều khiển địa chỉ MAC . Opcode: trường mã hoạt động xác định khung điều chỉnh địa chỉ MAC cụ thể như 00-0116: PAUSE; 00-0216: GATE; 00-0316: REPORT; 00-0416: REGISTER_REQ; 00-0516: REGISTER; 00-0616: REGISTER_ACK Timestamp: trường đánh dấu thời gian mang giá trị xung đồng hồ MPCP tương ứng với truyền byte đầu tiên của Destination Address. Giá trị đánh dấu thời gian được dùng để đồng bộ xung đồng hồ MPCP trong OLT và ONU . Trường xác định mã hoạt động : trường này mang thông tin tương ứng với chức năng MPCP cụ thể . Phần payload không được trường xác định mã hoạt động sử dụng nên được thêm 0 vào. Chuỗi kiểm tra khung FCS - Frame Check Sequence: Trường FCS mang giá trị CRC-32 mà MAC sử dụng để kiểm lại tính nguyên vẹn của khung được nhận. 4.3.2.2 Mô hình hoạt động của MPCP Để hổ trợ việc định vị khe thời gian bởi OLT, giao thức MPCP đang được nhóm IEEE 802.3ah phát triển. MPCP không xây dựng một cơ chế phân bổ băng tần cụ thể, mà thay vào đó, nó là một cơ chế hổ trợ thiết lập các thuật toán phân bổ băng tần khác nhau trong EPON. Giao thức này dựa vào hai bản tin Ethernet: Gate và Report. Bản tin Gate được gởi từ OLT đến ONU để ấn định một khe thời gian truyền. Bản tin Report được ONU sử dụng để truyền đạt các thông tin về trạng thái hiện tại của nó chẳng hạn mức chiếm giữ của bộ đệm đến OLT, giúp OLT có thể phân bổ khe thời gian một cách hợp lý. Cả hai bản tin Gate và Report đều là các khung điều khiển MAC và được xử lý bởi lớp con điều khiển MAC. Có hai mô hình hoạt động của MPCP: tự khởi tạo và hoạt động bình thường. Mô hình tự khởi tạo được dùng để dò các kết nối ONU mới, nhận biết trễ Round-trip và địa chỉ MAC của ONU đó. Mô hình bình thường được dùng để phân bổ cơ hội truyền dẫn cho tất cả các ONU được khởi tạo. Từ nhiều ONU có thể yêu cầu khởi tạo cùng một lúc, mô hình khởi tạo tự động là một thủ tục dựa vào sự cạnh tranh. Ở lớp cao hơn nó làm việc như sau: Một là: OLT chỉ định một khe khởi tạo, một khoảng thời gian mà không có ONU khởi tạo trước nào được phép truyền. Chiều dài của khe khởi tạo này phải tối thiểu là: + - ; với là chiều dài của cửa sổ truyền mà một ONU không khởi tạo có thể dùng. Hai là: OLT gởi một bản tin khởi tạo Gate báo hiệu thời gian bắt đầu của khe khởi tạo và chiều dài của nó. Trong khi chuyển tiếp bản tin này từ lớp cao hơn đến lớp MAC, MPCP sẽ gán nhãn thời gian được lấy theo đồng hồ của nó. Ba là: Chỉ các ONU chưa khởi tạo mới đáp ứng bản tin khởi tạo Gate. Trong lúc nhận bản tin khởi tạo Gate, một ONU sẽ thiết lập thời gian đồng hồ của nó theo nhãn thời gian đến trong bản tin khởi tạo Gate. Bốn là: Khi đồng hồ trong ONU đến thời gian bắt đầu của khe thời gian khởi tạo, ONU sẽ truyền bản tin của chính nó tức khởi tạo Report. Bản tin Report sẽ chứa địa chỉ nguồn của ONU và nhãn thời gian tượng trưng cho thời gian bên trong của ONU khi bản tin Report được gởi. Năm là: Khi OLT nhận bản tin Report từ một ONU chưa khởi tạo, nó nhận biết địa chỉ MAC của nó và thời gian Round-trip. Như được minh họa ở Hình 4.3, thời gian Round-trip của một ONU là thời gian sai biệt giữa thời gian bản tin Report được nhận ở OLT và nhãn thời gian chứa trong bản tin Report. Cách tính thời gian Round-trip như sau : 1. OLT gửi bản tin GATE tại T1 2. ONU nhận bản tin GATE tại T1 3. ONU gửi bản tin REPORT tại T2 4. OLT nhận bản tin REPORT tại T3 5. OLT tính toán RTT = T3 - T2 Nguồn: © 2004 Ethernet in the First Mile Alliance Hình 4.6: Cách tính thời gian Round-trip Từ nhiều ONU chưa khởi tạo, có thể đáp ứng cùng bản tin khởi tạo Gate, bản tin Report có thể xung đột. Trong trường hợp đó, bản tin Report của ONU bị xung đột sẽ không thiết lập bất kỳ khe nào cho hoạt động bình thường của nó. Nếu như ONU không nhận được khe thời gian trong khoảng thời gian nào đó, nó sẽ kết luận rằng sự xung đột đã xãy ra và nó sẽ thử khởi tạo lại sau khi bỏ qua một số bản tin khởi tạo Gate ngẫu nhiên. Số bản tin bỏ được chọn ngẫu nhiên từ một khoảng thời gian gấp đôi sau mỗi lần xung đột. Dưới đây chúng ta mô tả hoạt động bình thường của MPCP: Từ lớp cao hơn là MAC control client, MPCP trong OLT đưa ra yêu cầu để truyền bản tin Gate đến một ONU cụ thể với các thông tin như sau: thời điểm ONU bắt đầu truyền dẫn và thời gian của quá trình truyền dẫn như trong Hình 4.4. Trong lớp MPCP của cả OLT và ONU duy trì một đồng hồ. Trong khi truyền bản tin Gate từ lớp cao hơn đến lớp MAC, MPCP sẽ gán vào bản tin này nhãn thời gian được lấy theo đồng hồ của nó. Trong khi tiếp nhận bản tin Gate có địa chỉ MAC phù hợp vì địa chỉ của các bản tin Gate đều là duy nhất, ONU sẽ ghi lên các thanh ghi trong nó, thời gian bắt đầu truyền và khoảng thời gian truyền. ONU sẽ cập nhật đồng hồ của nó theo thời gian lưu trên nhãn của bản tin Gate nhận được. Nếu sự sai biệt đã vượt quá ngưỡng đã được định trước thì ONU sẽ cho rằng, nó đã mất sự đồng bộ và sẽ tự chuyển vào mode chưa khởi tạo. Ở mode này, ONU không được phép truyền. Nó sẽ chờ đến bản tin Gate khởi tạo tiếp theo để khởi tạo lại. Nếu thời gian của bản tin Gate được nhận gần giống với thời gian được lưu trên nhãn của bản tin Gate, ONU sẽ cập nhật đồng hồ của nó theo nhãn thời gian. Khi đồng hồ trong ONU chỉ đến thời điểm bắt đầu của khe thời gian truyền dẫn, ONU sẽ bắt đầu phiên truyền dẫn. Quá trình truyền dẫn này có thể chứa nhiều khung Ethernet. ONU sẽ đảm bảo rằng không có khung nào bị truyền gián đoạn. Nếu phần còn lại của khe thời gian không đủ cho khung tiếp theo thì khung này sẽ được để lại cho khe thời gian truyền dẫn tiếp theo và để trống một phần không sử dụng trong khe thời gian hiện tại. Nguồn: © 2004 Ethernet in the First Mile Alliance Hình 4.7: Giao thức MPCP - hoạt động của bản tin GATE Bản tin Report sẽ được ONU gởi đi trong cửa sổ truyền dẫn gán cho nó cùng với các khung dữ liệu. Các bản tin Report có thể được gởi một cách tự động hay theo yêu cầu của OLT. Các bản tin Report được tạo ra ở lớp trên lớp điều khiển MAC và được gán nhãn thời gian tại lớp điều khiển MAC như Hình 3.26. Thông thường Report sẽ chứa độ dài yêu cầu cho khe thời gian tiếp theo dựa trên độ dài hàng đợi của ONU. Khi yêu cầu một khe thời gian, ONU cũng có tính đến cả các phần mào đầu bản tin, đó là các khung mào đầu 64 bit và khung mào đầu IFG 96 bit được ghép vào trong khung dữ liệu. Khi bản tin Report đã được gán nhãn thời gian đến OLT, nó sẽ đi qua lớp MAC là lớp chịu trách nhiệm phân bổ băng tần. Ngoài ra, OLT cũng sẽ tính lại chu trình đi và về với mỗi nguồn ONU như trong Hình 4.8. Sẽ có một số chênh lệch nhỏ của RTT mới và RTT được tính từ trước bắt nguồn từ sự thay đổi trong chiết suất của sợi quang do nhiệt độ thay đổi. Nếu sự chênh lệch này là lớn thì OLT sẽ được cảnh báo ONU đã mất đồng bộ và OLT sẽ không cấp phiên truyền dẫn cho ONU cho đến khi nó được khởi tạo lại. Nguồn: © 2004 Ethernet in the First Mile Alliance Hình 4.8: Giao thức MPCP - hoạt động của bản tin REPORT Để xử lý các yêu cầu về lưu lượng trong luồng lên, EPON sử dụng giao thức điều khiển đa điểm MPCP. Đây là giao thức dựa trên việc truyền các khung, dựa trên việc truyền các bản tin điều khiển lớp MAC 64 byte. Các bản tin này kết hợp với lưu lượng đường xuống để cung cấp việc truyền dẫn tùy ý cho các khung Ethernet 802.3. Các chức năng của MPCP là : Yêu cầu và phân bổ băng tần, thỏa thuận các tham số, quản lý và định thời luồng xuống từ các ONU để tránh đụng độ, sắp xếp và tối ưu hóa các khe thời gian luồng xuống để giám sát độ trễ, tự động khôi phục và đăng ký các ONU. 4.3.3 Bảo mật trong EPON Các kỹ thuật PON rất hạn chế trong việc chống nghe lén và chống ăn cắp các dịch vụ , những đề nghị về cơ cấu bảo mật trong tiêu chuẩn 802.3ah không có được những hỗ trợ cần thiết, thay vào đó là các tiêu chuẩn về cơ cấu bảo mật. Do các tiêu chuẩn này không hoàn thành vào đúng lúc các tiêu chuẩn về EPON ra đời nên hầu hết các mạng EPON được triển khai trên thế giới hiện nay đều sử dụng một cơ chế bảo mật duy nhất. Trong vài trường hợp, các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông lớn đưa ra cơ chế bảo mật riêng của mình, cơ chế này không những đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật cần thiết mà còn có thể được coi là môi trường giám sát nội hạt. Cơ cấu mật mã hóa của EPON được dựa trên thuật toán mật mã hóa tiên tiến AES-Advance Encryption Standard do viện kỹ thuật và tiêu chuẩn của Hoa Kỳ xuất bản . AES cho phép sử dụng các từ khóa 128 bit, 192 bit hay 256 bit. Để đảm bảo tính cá nhân cao, phương pháp này mật mã hóa toàn bộ một khung Ethernet, bao gồm cả phần header Ethernet và trường FCS. Các bản tin OAM và MPCP cũng được mật mã hóa. 4.3.4 EPON với kiến trúc 802 Kiến trúc IEEE 802 định nghĩa hai phương thức truyền thông tin: Share Medium và song công. Trong phương thức chia sẻ trung gian còn gọi là Share Medium, tất cả các trạm được kết nối đến một miền truy nhập duy nhất, ở đó phần lớn một trạm có thể phát tại một lúc và tất cả các trạm có thể nhận bất cứ lúc nào. Trong phương thức song công, đó là sự kết nối Point to Point kết nối hai trạm và cả hai trạm có thể phát và nhận đồng thời. Dựa vào định nghĩa đó, các cầu nối không bao giờ chuyển tiếp khung quay trở lại cổng vào của nó. Nói cách khác, nó cho rằng tất cả các trạm được kết nối đến cùng một cổng của cầu nối và có thể truyền thông với nhau mà không cần thông qua cầu nối. Phương thức này đã tạo ra khả năng các người dùng được kết nối đến các ONU khác nhau trong cùng mạng PON và có thể truyền thông với nhau mà dữ liệu không cần xử lý ở lớp 3 hoặc lớp cao hơn. Để giải quyết vấn đề này và đảm bảo thích hợp với các mạng Ethernet khác, các thiết bị gắn liền với EPON sẽ có ở lớp con thêm vào, dựa trên cấu hình của nó sẽ chọn Share Medium hoặc Point to Point Medium. Lớp con này được xem như là lớp con Share Medium Emulation gọi tắt là PtPE. Lớp con này phải ở dưới lớp MAC để đảm bảo hoạt động của Ethernet MAC hiện tại được định nghĩa trong chuẩn P802.3 của IEEE. Hoạt động của lớp Emulation dựa vào tagging của Ethernet với tag duy nhất cho mỗi ONU như ở Hình 4.6. Những tag này được gọi là LinkID và được đặt vào trong mào đầu trước mỗi khung. Nguồn: © 2004 Ethernet in the First Mile Alliance Hình 4.9: Trường LinkID được nhúng trong mào đầu Để bảo đảm sự duy nhất cho LinkID, OLT sẽ ấn định một hoặc nhiều tag cho mỗi ONU trong suốt quá trình đăng ký lúc đầu. 4.3.4.1 Point to Point Emulation Trong mô hình này, OLT phải có N cổng MAC, một cổng cho một ONU như ở Hình 4.7a. Khi một khung được gửi xuống tức từ OLT đến ONU, lớp con PtPE trong OLT sẽ chèn LinkID kết hợp với cổng MAC cụ thể vào khung dữ liệu. Các khung sẽ được chia sẽ cho từng ONU nhưng chỉ một lớp MAC của nó. Ở lớp MAC của các ONU còn lại sẽ không nhận được khung này. Trong khả năng này, nó sẽ xuất hiện nếu chỉ khi khung được gửi theo kết nối PtP chỉ cho một ONU. Nguồn: © 2004 Ethernet in the First Mile Alliance Hình 4.10a: Hướng xuống trong PtPE Ở hướng lên, ONU sẽ chèn LinkID được ấn định của nó vào mào đầu của mỗi khung được chuyển. Lớp con PtPE trong OLT sẽ tách khung để nhận biết cổng MAC chính xác dựa vào LinkID duy nhất cho mỗi ONU như minh họa ở Hình 4.7b Cấu hình PtPE thích hợp với cầu khi mỗi ONU được kết nối đến một cổng độc lập của cầu. Cầu được đặt trong OLT sẽ chuyển tiếp lưu lượng vào trong ONU giữa các cổng của nó. Nguồn: © 2004 Ethernet in the First Mile Alliance Hình 4.10b: Hướng lên trong PtPE Nguồn: © 2004 Ethernet in the First Mile Alliance Hình 4.11: Cầu giữa các ONU trong PtPE 4.3.4.2 Share Medium Emulation Trong SME, bất kỳ một node nào OLT hay ONU sẽ chuyển khung dữ liệu và sẽ được nhận ở tất cả các node gồm OLT và ONU. Trong hướng xuống, OLT sẽ chèn một LinkID quảng bá mà mọi ONU đều chấp nhận như ở hình 4.9a. Để đảm bảo hoạt động Share Medium cho hướng lên, lớp con SME trong OLT phải nhản ánh tất cả các khung trở lại hướng xuống để tất cả các ONU nhận chính khung dữ liệu của nó thì lớp con SME ở ONU chỉ thừa nhận khung nếu LinkID của khung đó khác với LinkID của nó. Nguồn: © 2004 Ethernet in the First Mile Alliance Hình 4.12a: Hướng truyền xuống trong SME SME chỉ yêu cầu một cổng MAC trong OLT. Chức năng vật lý của lớp này tức là lớp con SME là cung cấp truyền thông ONU đến ONU, không cần cầu liên kết. Nguồn: © 2004 Ethernet in the First Mile Alliance Hình 4.12b: Hướng truyền lên trong SME 4.4 Xu hướng phát triển của mạng truy nhập quang thụ động Ethernet: Có khả năng phát triển theo hai hướng: 4.4.1 Truy nhập hữu tuyến: Truy nhập hữu tuyến từ EPON sẽ phát triển lên các cấu trúc khác để có thể đáp ứng nhiều dịch vụ hơn. Điển hình, Nhật Bản đã ứng dụng công nghệ FTTH từ rất sớm và phát triển theo hướng EPON. Hiện nay, do sự bùng nổ thông tin, Nhật Bản đang có nhu cầu phát triển lên GEPON. Nguồn: Internet Hình 4.13: Hướng phát triển hữu tuyến của EPON Nguồn: Internet Hình 4.14: Sự bùng nổ thông tin của Nhật Bản 4.4.2 Truy nhập vô tuyến: Các kỹ thuật truy nhập quang có ưu điểm về băng tần lớn, tuy nhiên, nó đòi hỏi chi phí cao để có thể triển khai tới từng nhà. Ngược lại, kỹ thuật truy nhập vô tuyến lại có chi phí triển khai thấp. Một ưu điểm quan trọng của các kỹ thuật vô tuyến là hỗ trợ di động. Tuy nhiên, các kỹ thuật vô tuyến nói chung bị giới hạn về phổ tần vô tuyến vì phải chia sẻ giữa các người dùng. Ngoài ra, các hệ thống vô tuyến thường sử dụng sợi quang để kết nối giữa các trạm truy nhập đặt phân tán với trạm trung tâm. Sự kết hợp giữa mạng quang thụ động EPON và Wimax là một giải pháp hấp dẫn cho mạng truy nhập băng rộng. Sự kết hợp này cho phép hai kỹ thuật có thể bổ sung cho nhau trên nhiều phương diện. Việc sử dụng một mạng EPON để kết nối nhiều Wimax-BS tạo ra sự kết hợp tốt về phân cấp băng thông. Sự hợp nhất này giúp hiện thực hóa sự hội tụ di động cố định và đem lại nhiều điểm hấp dẫn. Trước hết, sự hợp nhất cho phép thực hiện hiệu quả việc phân bổ băng thông và lập lịch gói, giúp đạt được hiệu suất sử dụng băng thông và hỗ trợ QoS tốt hơn. Ngoài ra, sự hợp nhất có thể đơn giản hóa vận hành mạng, ví dụ hoạt động chuyển giao. Hơn nữa, sự hợp nhất có thể cho phép một mạng quang thụ động mang đồng thời hai kiểu mạng truy nhập khác nhau và cung cấp cả dịch vụ truy nhập băng rộng di động lẫn cố định. Cuối cùng, sự hợp nhất của EPON và Wimax sẽ đem lại hy vọng tiết kiệm chi phí vận hành và thiết kế cho mạng truy nhập băng rộng thế hệ mới. 4.3 Ứng dụng của mạng truy nhập quang thụ động Ethernet-EPON Với các ưu điểm vượt trội PON nói chung và EPON nói riêng được ứng dụng trong thông tin viễn thông, các kết nối của các thiết bị đầu cuối qua mạng cáp quang. Ứng dụng trong chỉ dẫn, đo lường thông tin quang, ứng dụng trong điều khiển từ xa dùng cảm biến quang và mạng truyền hình cáp quang với thời gian thực. Công nghệ EPON được dùng làm mạng truy nhập cho mạng quang FTTx. Hiện nay con người có thể sử dụng FTTx để thực hiện các dịch vụ mạng riêng ảo, truyền hình tương tác IPTV, hội nghị truyền hình, xem phim theo yêu cầu, Game Online, Hosting Server riêng. Nguồn: Internet Hình 4.15: Mô hình mạng FTTx FTTx viết tắt của ꞌꞌFiber To The xꞌꞌ là một thuật ngữ nói chung chỉ một kiến trúc mạng sử dụng cáp quang để kết nối mạng viễn thông, FTTx bao gồm: 4.3.1 FTTH - Fiber To The Home Công nghệ cáp quang thuê bao FTTH là mạng viễn thông băng thông rộng bằng cáp quang được nối đến tận nhà để cung cấp các dịch vụ tốc độ cao như điện thoại, Internet tốc độ cao và TV. Hiện nay, công nghệ FTTH đang được triển khai. Khi dùng công nghệ FTTH, đường truyền dẫn hoàn toàn bằng cáp quang tới tận phòng máy của người sử dụng. Chất lượng truyền dẫn tín hiệu bền bỉ ,ổn định không bị suy hao tín hiệu bởi nhiễu điện từ, thời tiết hay chiều dài cáp như đối với ADSL và độ bảo mật rất cao. Ngoài ra FTTH còn cho phép cân bằng, tốc độ tải lên và tải xuống như nhau và cho phép tối đa là 10 Gbps, có thể phục vụ cùng một lúc cho hàng trăm máy tính. Nguồn: Internet Hình 4.16: Mô hình mạng FTTH-Fiber to the Home Trong đó các thuật ngữ trong hình được chú thích như sau: CO : Tổng dài trung tâm MDF: Giá phối dây Feeder Cable: Cáp tiếp vòng Distribution Cable : Cáp phân phối ONU : Đơn vị mạng quang Drop cable: Là một loại cáp dùng để nối một bộ giao tiếp mạng với Thick Ethernet. FDC : Là trung tâm phân phối cáp. 4.3.2 FTTB - Fiber To The Building FTTB: Là giải pháp mạng ứng dụng cho các cao ốc lớn nhằm cung cấp đường truyền Internet cáp quang tốc độ cao với chi phí tiết kiệm. 4.3.3 FTTN - Fiber To The Node Mục đích của công nghệ FTTN là đặt lại các thiết bị DSL cách xa chuyển mạch, và đặt chúng gần hơn đối với người sử dụng. Điều này bao gồm việc triển khai các DSLAM thế hệ mới, kết nối quang tại các nơi phân tán trong các cộng đồng dân cư, và tái sử dụng phần cuối của đôi dây cáp kim loại hiện có. Lợi thế đáng kể nhất của cấu trúc FTTN là nó tận dụng khả năng lớn nhất của các công nghệ DSL. Thông lượng cao nhất chỉ có thể đạt được bằng việc rút ngắn độ dài mạch vòng DSL. Do ngày nay, vị trí đặt chuyển mạch không thể dễ dàng thay đổi, các node được sử dụng để trải rộng các thiết bị trên nền chuyển mạch cũ ra toàn bộ các thuê bao, điều này sẽ mang đến các độ dài mạch vòng ngắn hơn đối với đại đa số các thuê bao. Thêm vào đó, việc kéo dài cáp quang xa hơn tới các thuê bao có thể xem như bước đầu tiên và cần thiết để hướng tới việc triển khai cáp quang trên toàn tuyến đến với người sử dụng. 4.3.4 FTTC - Fiber To The Cabinet FTTC có thể hiểu là cáp quang đến tủ thiết bị. Là đường truyền với tốc độ cao và ổn định như cáp quang nhưng có chi phí hợp lý hơn, do giảm chi phí đi nhờ đường dây từ Cabinet đến thuê bao dùng cáp đồng. Nguồn: Internet Hình 4.17: Mô hình mạng FTTC và FTTH của FPT Chương 5 PHÂN PHỐI BĂNG THÔNG TRONG EPON Đối với các dịch vụ viễn thông thì vấn đề chất lượng dịch vụ giữ vai trò quan trọng. Nó quyết định đến sự thành công hay thất bại của dịch vụ đó. Ở đây với mạng truy nhập quang thụ động Ethernet EPON thì chất lượng dịch vụ mà cụ thể là trễ trong truyền tải, khả năng cấp phát băng thông truyền tải cho từng ONU khi lượng byte của chúng thay đổi. Trễ ở đây chủ yếu phụ thuộc vào sự phân bổ băng thông cho từng ONU trong mạng. Trong chương này sẽ trình bày dữ liệu được phát lên trong ONU như thế nào, thuật toán phân bổ băng thông Interleaved-Polling mô hình tính toán trễ và đưa ra các phương pháp phân phối băng thông cho các ONU cũng như các hàng đợi của chúng: Cấp phát băng thông cố định, cấp phát băng thông cân đối, cấp phát băng thông theo quyền ưu tiên dịch vụ, và phương pháp SLA aware p-DBA. 5.1 Mô hình của EPON Trong phần này xét mạng truy cập gồm 1 OLT và N ONU được kết nối sử dụng mạng thụ động như ở Hình 5.1 . Mỗi ONU được ấn định một trễ truyền xuống từ OLT đến ONU và trể truyền lên từ ONU đến OLT. Trong khi với mô hình cây, cả trễ hướng lên và trễ hướng xuống là như nhau thì mô hình vòng hai trễ đó khác nhau. Một cách mô hình, ta giả thiết các độ trễ độc lập nhau và chọn tùy ý trong khoảng 50µs ÷ 100µs. Những giá trị này tương đương với khoảng cách giữa OLT và ONU trong khoảng từ 10 ÷ 20 km Từ phía truy cập, lưu lượng có thể đến ONU từ một người dùng đơn hoặc từ một cổng của mạng LAN chẳng hạn như lưu lượng có thể được tập hợp từ một số người dùng. Khung Ethernet sẽ được đệm vào ONU cho đến khi ONU được phép truyền đi. Tốc độ truyền của mạng PON và kết nối truy cập của người dùng không nhất thiết phải giống nhau. Trong mô hình của chúng ta, chúng ta gọi Rn với thứ nguyên Mbps là tốc độ dữ liệu mạng ở hướng lên từ ONU đến OLT. Chúng ta đề cập ở đây là nếu Rn ≥N×Ru thì vấn đề phân bổ băng thông là không tồn tại khi khả năng cung cấp băng thông của hệ thống cao hơn tổng lưu lượng tải tất cả các ONU. Trong mô hình này, chúng ta xét hệ thống với N = 16 và Ru và Rn lần lượt là 100Mbps và 1000Mbps. Hình 5.1: Mô hình mạng truy nhập quang thụ động Ethernet-EPON Một tập hợp N khe thời gian cùng với khoảng bảo vệ kết hợp của nó được gọi là chu kỳ. Nói một cách khác, một chu kỳ là một khoảng thời gian giữa hai khe thời gian liên tiếp được ấn định đến một ONU. Chúng ta ký hiệu chu kỳ là T. Nếu T quá lớn sẽ làm tăng độ trễ cho tất cả các gói tin kể cả các gói tin có quyền ưu tiên cao. Nếu T quá nhỏ thì thời gian bảo vệ làm lãng phí băng thông. Để đạt được một sự phân tích chính xác và thực tế về chất lượng, điều quan trọng là mô tả hành vi của hệ thống với lưu lượng thích hợp được xen vào hệ thống. Để phát lưu lượng, chúng ta sử dụng phương thức sau: kết quả lưu lượng là tập hợp của nhiều luồng, mỗi luồng gồm khoảng thời gian ON/OF được phân bố luân phiên nhau. Hình 5.2 minh họa phương thức mà lưu lượng được phát trong từng ONU. Trong thời kỳ ON, mỗi nguồn phát các gói back to back với một khoảng trống giữa các khung là 96 bit và 64 bit mào đầu ở giữa. Mỗi nguồn được ấn định một giá trị ưu tiên đặc biệt cho tất cả các gói của nó. Các gói được phát bởi n nguồn và được ghép vào một đường đơn nhưng mà các gói từ các nguồn khác nhau không gối lên nhau. Sau đó những gói này được chuyển đến từng hàng đợi riêng dựa trên ấn định ưu tiên của nó và những hàng đợi này được phục vụ theo thứ tự ưu tiên của nó. Hình 5.2: Phương thức phát lưu lượng trong ONU 5.2 Thuật toán Interleaved Polling Thuật toán Interleaved Polling là thuật toán kiểm soát vòng với chu kỳ thời gian phù hợp là phương pháp phân bổ băng tần hiệu quả phổ biến với chi phí thấp. Trong phương pháp này OLT thăm dò ONU gán băng thông tùy theo nhu cầu của nó, OLT phân phối băng thông mà không cần thông báo cho ONU biết. OLT gán yêu cầu cho ONU dựa vào chu kỳ kiểm soát vòng đứng trước , đó là lý do tại sao các gói tới sau bị trễ ít nhất một chu kỳ kiểm soát vòng kế tiếp. Chu kỳ vòng điều chỉnh các yêu cầu băng thông của ONU và định nghĩa cửa sổ truyền dẫn tối đa cho phép ONU với lưu lượng cao không chiếm giữ toàn bộ băng thông. Trong phần này, xem xét tổng quan thuật toán được đề xuất. Để đơn giản, sẽ xét hệ thống với 3 ONU. .Tại một lúc nào đó của thời gian đến, OLT biết chính xác có bao nhiêu byte đang chờ đợi trong từng bộ đệm của ONU và thời gian round trip RTT của từng ONU. OLT sẽ lưu dữ liệu này vào bảng dò được thể hiện trong Hình 5.3. Tại lúc đến, OLT gởi một bản tin điều khiển đến ONU1 cho phép nó gửi 6000byte. Bản tin này là Grant. Khi đó, hướng xuống OLT gởi dữ liệu đến tất cả các ONU, Grant chứa ID đích của của ONU cũng như kích thước cửa sổ được chấp nhận. Vào lúc đang nhận Grant OLT, ONU1 bắt đầu gởi dữ liệu của nó theo kích thước được cấp. Trong ví dụ này, ta có 6000 byte. Cùng lúc đó ONU ghi dữ liệu mới nhận được từ người dùng của nó. Ở cuối cửa sổ truyền của nó, ONU1 sẽ phát bản tin điều khiển của chính nó. Bản tin này báo cho OLT biết được số lượng byte trong bộ đệm của ONU1 vào lúc đó. Trong trường hợp này là 550 byte. Ngay trước khi OLT nhận trả lời từ ONU1, nó biết khi nào bit cuối cùng của ONU1 sẽ đến. Điều này được OLT tính toán như sau: Bit đầu tiên sẽ đến ngay sau RTT time. RTT trong tính toán của chúng ta bao gồm RTT thực tế, thời gian xử lý Grant, thời gian phát Request và mào đầu của OLT để định dạng sự xếp hàng của bit và byte trong dữ liệu nhận được, chính xác là khoảng thời gian giữa lúc gởi Grant đến ONU và nhận dữ liệu từ cùng ONU. Khi mà OLT biết bao nhiêu byte mà nó cho phép ONU1 gởi thì nó biết khi nào bit cuối cùng từ ONU1 sẽ đến. Sau đó nhận biết được RTT của ONU2, OLT sẽ sắp xếp 1 Grant đến ONU2 mà bit đầu tiên từ ONU2 sẽ đến với khoảng bảo vệ nhỏ sau khi bit cuối cùng từ ONU1 đến, thể hiện ở Hình 5.3b. Hình 5.3: Các bước của thuật toán Interleaved Polling b. Khoảng bảo vệ cung cấp sự bảo vệ cho sự thay đổi của RTT và thời gian xử lý bản tin điều khiển của các ONU khác nhau. Ngoài ra, bộ thu của OLT cần một ít thời gian để sửa lại tín hiệu đến vì các ONU có các mức năng lượng khác nhau do có khoảng cách đến OLT là khác nhau. Sau một lúc, dữ liệu từ ONU1 đến. Ở cuối đường truyền của ONU1 có một Request mới chứa thông tin về khối lượng byte trong bộ đệm của ONU1 trước khi truyền Request. OLT sẽ sử dụng thông tin này để cập nhật vào bảng dò Polling table như trong Hình 5.3c. Bằng cách ghi lại thời gian khi mà Grant gởi đi và dữ liệu được nhận về, OLT liên tục cập nhật RTT cho các ONU tương ứng. Tượng tự như trên OLT tính toán thời gian mà bit cuối cùng từ ONU2 sẽ đến. Do đó, nó sẽ biết khi nào gởi Grant đến ONU3 vì vậy dữ liệu của nó được nối vào phần cuối dữ liệu của ONU2. Sau một lúc, dữ liệu từ ONU2 sẽ đến. OLT sẽ cập nhật một lần nữa vào bảng của nó, thời gian này được lưu vào cho ONU2 như Hình 5.3d. Nếu một ONU không có dữ liệu trong bộ đệm, nó sẽ gởi 0 byte trở lại OLT. Do đó, ở chu kỳ tiếp theo ONU sẽ được cấp 0 byte, chẳng hạn nó sẽ gởi một yêu cầu mới nhưng không có dữ liệu. Kênh thu của OLT được sử dụng hầu hết 100%. Các ONU trống không được cấp cửa sổ truyền. Điều này dẫn tới chu kỳ thời gian được rút ngắn, nên tần số dò các ONU tích cực thường xuyên hơn. Như vậy, theo sự mô tả trên thì không cần đồng bộ cho các ONU. Mỗi ONU thực hiện cùng một thủ tục thông qua bản tin Grant nhận từ OLT. Toàn bộ sự sắp xếp và thuật toán định vị băng thông là ở tại OLT. Các ONU không cần dàn xếp hoặc nhận biết các thông số mới cũng không cần chuyển sang các thiết lập đồng hồ mới. Nếu như OLT cho phép từng ONU gởi toàn bộ nội dung bộ đệm của nó trong một lần truyền thì dung lượng dữ liệu cao của các ONU có thể chiếm toàn bộ băng thông. Để tránh điều này, OLT sẽ giới hạn cửa sổ truyền tối đa. Vì vậy, mỗi ONU sẽ thiết lập một Grant để gởi càng nhiều byte mà nó đã yêu cầu trong chu kỳ trước nhưng không nhiều hơn giới hạn cực đại. Có nhiều sơ đồ khác nhau để xác định giới hạn, có thể là cố định dựa trên SLA-Service Level Agreement cho từng ONU hoặc là động dựa trên tải mạng trung bình. Phần tiếp theo chúng ta sẽ xem xét vấn đề này. 5.3 Phân phối băng thông cố định Phương pháp phân bổ băng tần cố định là phân bổ chiều dài khe thời gian cố định cho mỗi ONU với thời gian như nhau bất chấp nhu cầu băng thông của nó. Như biểu diễn ở Hình 3.30, với phương pháp phân bổ băng tần cố định, băng thông và độ trễ thì giữ cố định, điều này sẽ không hiệu quả bởi băng thông sẽ bị chiếm hữu thậm chí là khi nó không có dữ liệu hướng lên. Để khắc phục mặt hạn chế này thì giao thức phân bổ băng tần động (DBA-Dynamic bandwidth allocation) được triển khai để giảm hiệu suất truyền dẫn và giảm độ trễ gói bằng việc phân phối động các khe thời gian hướng lên tùy thuộc vào nhu cầu băng thông của các ONU. Nếu không được thiết kế hợp lí thì nó sẽ dẫn tới làm tăng độ trễ thậm chí là giảm băng thông. Hình 5.4: Phân bổ khe thời gian cố định 5.4 Mô tả hoạt động phân phối băng tần động cơ bản Hoạt động phân phối băng tần động DBA đơn giản được mô tả trong Hình 5.5. ONU lưu các dữ liệu nhận được từ các user trong bộ đệm. Khối dữ liệu được lưu trong bộ đệm báo cho OLT như là request tại thời điểm OLT quy định. OLT sẽ báo thời gian bắt đầu truyền và khoảng thời gian có thể sử dụng cho ONU chứa trong grant. ONU sẽ đợi thời gian được cấp và sau đó truyền khối dữ liệu được quy định đến OLT. Hình 5.5: Mô hình phân phối băng tần động cơ bản 5.3 Kế hoạch phân bổ băng thông Thực chất của giao thức MPCP là ấn định khe thời gian có kích thước thay đổi đến từng ONU dựa trên kế hoạch phân bổ băng thông. Để ngăn cản một ONU chiếm hết kênh lên với lượng dữ liệu cao thì có một giới hạn kích thước cửa sổ truyền tối đa cho từng ONU và được ký hiệu của Wimax sẽ xác định chu kỳ được cấp cực đại dưới điều kiện tải nặng cho từng ONU là Tmax Với Wimax : Kích thước cửa sổ cực đại cho ONU thứ i, thứ nguyên là byte G : Khoảng thời gian bảo vệ N : Số ONU R : Tốc độ đường truyền, thứ nguyên là bps. Khoảng thời gian bảo vệ cung cấp sự bảo vệ cho sự thay đổi của Round-Trip Time tức là thời gian lên và xuống của các ONU khác nhau. Ngoài ra, đầu thu OLT cần một ít thời gian để điều chỉnh cho thích hợp bởi vì thực tế tín hiệu từ các ONU khác nhau có thể có mức năng lượng khác nhau. Nếu Tmax quá lớn sẽ làm tăng trể cho tất cả các khung Ethernet kể cả các gói IP được ưu tiên cao. Nếu Tmax quá nhỏ thì khoảng thời gian bảo vệ sẽ làm hao phí băng thông. Ngoài chu kỳ cực đại Wimax cũng quyết định băng thông tối thiểu có thể dùng của ONUi. Gọi Aimin bps là băng thông tối thiểu của ONUi. Chẳng hạn như ONU được cam đoan băng thông tối thiểu là Wimax byte trong hầu hết thời gian Tmax. Dĩ nhiên, băng thông của các ONU sẽ bị giới hạn tại băng thông tối thiểu của nó nếu như tất cả các ONU trong hệ thống sử dụng tất cả băng thông cho phép của nó. Nếu ít nhất một ONU không có dữ liệu, nó sẽ được cấp cửa sổ truyền nhỏ hơn dẫn đến chu kỳ thời gian bảo vệ nhỏ hơn băng thông cho phép của các ONU còn lại sẽ tăng lên theo tỉ lệ Wimax của nó . Trong trường hợp đặc biệt khi chỉ có một ONU có dữ liệu, băng thông cho phép của ONU đó sẽ là: Trong mô phỏng, chúng ta cho rằng tất cả các ONU có cùng bằng thông cam đoan: Wimax = Wmax với mọi i, suy ra: Chúng ta cho rằng Tmax = 2ms và G = 5 µs là lựa chọn hợp lý. Khi đó Wmax = 15000 byte. Với các thông số lựa chọn này, mỗi ONU sẽ có băng thông tối thiểu là 60Mbps và băng thông cực đại là 600Mbps.