Nghiên cứu và mô phỏng mạng truy nhập quang FTTX

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Nguyễn Như Huê MSSV: 0720095 ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG MẠNG TRUY NHẬP QUANG FTTX Chuyên ngành: Viễn Thông và Mạng Thành phố HCM – Năm 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Nguyễn Như Huê MSSV: 0720095 ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG MẠNG TRUY NHẬP QUANG FTTX KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG CHUYÊN NGÀNH: VIỄN THÔNG VÀ MẠNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Bùi Hữu Phú Thành phố HCM – Năm 2011 I LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sấu sắc nhất tới Thầy Bùi Hữu Phú -Trưởng bộ môn Viễn Thông và Mạng. Trong suốt quá trình làm luận văn, Thầy đã luôn hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn này. Đồng thời, em cũng xin gửi lời cảm ơn tới Thầy Cô trong khoa Điện Tử Viễn Thông, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – Đại Học Quốc Gia Thành Phố HCM đã tận tình dạy dỗ em trong suốt 4 năm học tại trường. Em đã cố gắng hết sức để hoàn thành luận văn này. Vì thời gian nghiên cứu và trình độ có hạn nên luận văn của em không thể tránh khỏi thiếu sót. Em rất mong sự quan tâm, góp ý của thầy cô và các bạn để luận văn tốt nghiệp của em hoàn chỉnh hơn. Em xin chân thành cám ơn! II LỜI NÓI ĐẦU Xã hội ngày càng phát triển dẫn tới sự phát triển của các khu vực kinh tế như: khu công nghiệp, khu công nghệ cao, khu thương mại, khu 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 đã 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 đó, các dịch vụ ứng dụng trên Internet ngày càng phong phú và phát triển với tốc độ nhanh như các dịch vụ mua bán trực tuyến, ngân hàng, game trực tuyến, các dịch vụ đào tạo từ xa, Đặc biệt nhu cầu về các loại dịch vụ tích hợp thoại, hình ảnh và dữ liệu ngày càng gia tăng. Sự phát triển của các loại hình dịch vụ mới đòi hỏi hạ tầng mạng truy cập phải đáp ứng các yêu cầu về băng rộng, tốc độ truy cập cao. Công nghệ truy nhập cáp đồng xDSL đã được triển khai rộng rãi nhưng hạn chế về tốc độ và cự ly không đáp ứng được yêu cầu dịch vụ. Vì vậy, nghiên cứu triển khai các giải pháp truy nhập quang (FTTx) là vấn đề cấp thiết hiện nay nhằm xây dựng hạ tầng mạng truy nhập đáp ứng yêu cầu băng thông rộng, tốc độ cao của các loại hình dịch vụ mới. Công nghệ truy nhập quang thụ động GPON đã được ITU chuẩn hóa, hiện nay là một trong những công nghệ được lựa chọn hàng đầu cho triển khai mạng truy nhập tại nhiều nước trên thế giới. GPON là công nghệ hướng tới cung cấp dịch vụ mạng đầy đủ, tích hợp thoại, hình ảnh và số liệu với băng thông rộng. GPON sẽ là công nghệ truy nhập được lựa chọn triển khai hiện tại và tương lại. Hiện nay, ở nước ta đã có một số nhà cung cấp dịch vụ như FPT, VNPT, Viettel, CMC TI đã và đang triển khai hệ thống mạng truy nhập quang (FTTx - Fiber To The X). Và CMC TI là công ty đầu tiên tại Việt Nam triển khai mạng FTTx theo công nghệ GPON. Do đó em chọn đề tài tốt nghiệp là “Nghiên cứu và mô phỏng mạng truy nhập quang FTTx” để tìm hiểu về công nghệ này. Luận văn gồm 5 chương, nội dung cụ thể của các chương như sau : Chương 1: Tổng quan về mạng FTTx Chương này cho ta cái nhìn khái quát về sự ra đời, tình hình phát triển của mạng FTTx trên thế giới và Việt Nam, những ứng dụng thực tiễn của mạng FTTx. III Chương 2: Các giải pháp triển khai mạng FTTx Trong chương này, chúng ta sẽ xem xét qua về kiến trúc mạng chủ động AON và nghiên cứu chủ yếu mạng quang thụ động PON với chuẩn GPON. Chương 3 : Triển khai mạng FTTx theo chuẩn GPON tại CMC TI Trong chương này chúng ta sẽ xem xét triển khai mạng truy nhập quang theo công nghệ GPON tại công ty CMCTI. Đi sâu tìm hiểu thiết bị OLT đang được sử dụng tại CMC TI, thiết bị ISAM 7342 FTTU. Chương 4 : Mô phỏng hệ thống mạng FTTx theo chuẩn GPON Chương này mô phỏng hệ thống mạng FTTx theo chuẩn GPON. Một số tình huống sẽ được đưa ra để đánh giá sự phụ thuộc của hệ thống mạng quang vào các yếu tố như khoảng cách truyền, tốc độ bit, hệ số chia của splitter, suy hao, phương thức mã hóa Đánh giá hệ thống dựa trên tỉ lệ lỗi bit BER, đồ thị mắt, chỉ số Q. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài Sinh viên thực hiện Nguyễn Như Huê IV MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN..I LỜI NÓI ĐẦUII MỤC LỤC..IV DANH MỤC HÌNH. . VIII DANH MỤC BẢNG.. X DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.. XI CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG FTTx.. .....................................3 1.1 Giới thiệu chương ...........................................................................................3 1.2 Nguồn gốc sự ra đời của mạng FTTx ..............................................................3 1.3 Định nghĩa ......................................................................................................7 1.4 Phân loại .........................................................................................................7 1.4.1 Phân loại theo chiều dài cáp quang..........................................................7 1.4.2 Phân loại theo cấu hình ...........................................................................8 1.5 Ưu nhược điểm mạng FTTx ............................................................................9 1.5.1 Ưu điểm ................................................................................................ 10 1.5.2 Nhược điểm .......................................................................................... 11 1.6 Ứng dụng của FTTx ...................................................................................... 11 1.7 Tình hình phát triển FTTx trên thế giới và tại Việt Nam ................................ 12 1.7.1 Tình hình FTTx trên thế giới ...................................................................... 12 1.7.2.Tình hình FTTx tại Việt Nam ..................................................................... 14 1.8 Kết luận chương ............................................................................................ 14 CHƯƠNG 2 MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG VỚI CHUẨN GPON ................. 15 2.1 Giới thiệu chương ......................................................................................... 15 2.2 Mạng quang chủ động AON .......................................................................... 15 V 2.3 Mạng quang thụ động PON ........................................................................... 16 2.3.1 Mô hình mạng quang thụ động .............................................................. 16 2.3.2 Các chuẩn mạng PON ........................................................................... 19 2.3.2.1 APON ........................................................................................... 19 2.3.2.2 BPON ........................................................................................... 19 2.3.2.3 EPON ........................................................................................... 20 2.3.2.4 GPON ........................................................................................... 22 2.3.3 Ưu nhược điểm mạng PON ................................................................... 23 2.3.3.1 Ưu điểm ........................................................................................ 23 2.3.3.2 Nhược điểm .................................................................................. 23 2.3.4 So sánh mạng PON và AON ................................................................. 23 2.3.4.1 Về băng thông và lưu lượng .......................................................... 23 2.3.4.2 Về tính kinh tế .............................................................................. 24 2.4 Công nghệ GPON (Gigabit PON).................................................................. 25 2.4.1 Giới thiệu .............................................................................................. 25 2.4.2 Kiến trúc mạng GPON .......................................................................... 26 2.4.2.1 Kết cuối đường quang OLT ......................................................... 27 2.4.2.2 Thiết bị đầu cuối mạng ONU/ONT ............................................... 28 2.4.2.3 Mạng phân phối quang ODN ........................................................ 28 2.4.3 Các đặc tính cơ bản của GPON ............................................................ 29 2.4.3.1 Tốc độ bit ................................................................................... 29 2.4.3.2 Khoảng cách ............................................................................... 30 2.4.3.3 Tỉ lệ chia ...................................................................................... 30 2.4.4 Cấu trúc phân lớp của mạng quang GPON ............................................ 30 2.4.4.1 Lớp phụ thuộc phương tiện vật lý PMD ........................................ 30 2.4.4.2 Lớp hội tụ truyền dẫn GTC .......................................................... 32 VI 2.4.4.2.1 Các chức năng chính hệ thống GTC ..................................... 34 2.4.4.2.2 Các chức năng của các phân lớp trong hệ thống GTC ........... 35 2.4.4.2.3 Phân lớp thích ứng và giao diện với các thực thể lớp trên .... 35 2.4.4.3 Cấu trúc khung GTC .................................................................... 36 2.4.4.3.1 Cấu trúc khung đường xuống ............................................... 36 2.4.4.3.2 Cấu trúc khung đường lên .................................................... 37 2.4.5 Cấp phát băng tần động DBA ............................................................... 38 2.4.5.3 Quản lý hoạt động DBA .............................................................. 40 2.5 Bảo vệ đối với phần mạng quang thụ động GPON ....................................... 40 2.6 Bảo mật ........................................................................................................ 41 2.7 Kết luận chương ........................................................................................... 42 CHƯƠNG 3 TRIỂN KHAI MẠNG FTTX TẠI CMC TI .............................. 43 3.1 Giới thiệu chương ........................................................................................ 43 3.2 Mô hình GPON tại CMC TI ......................................................................... 43 3.3 Các thiết bị trong mạng GPON ..................................................................... 44 3.3.1. Một số thiết bị ONT ............................................................................ 44 3.3.2 Cấu trúc thiết bị OLT sử dụng trên mạng FTTx tại CMC TI ............... 46 3.3.2.1. Tổng quan về sản phẩm 7342 ISAM FTTU ................................ 46 3.3.2.2 Tính năng GPON của 7342 ISAM FTTU ..................................... 46 3.3.2.3 Dịch vụ ........................................................................................ 47 3.3.2.4 Giao diện mạng ............................................................................ 47 3.3.2.5 Cấu trúc thiết bị ISAM 7342 FTTU ............................................ 49 3.3.2.6 Các khối chức năng của thiết bị ................................................... 49 3.3.2.7. Hoạt động quản lí và bảo trì ........................................................ 53 3.4 Các dịch vụ đang cung cấp trên mạng GPON CMCTI ................................. 57 3.4.1 FTTH/B ............................................................................................... 57 VII 3.4.2 Dịch vụ VoIP ....................................................................................... 58 3.4.3 Dịch vụ IPTV ....................................................................................... 58 3.4.4 Dịch vụ truyền số liệu VPN/MPLS ....................................................... 59 3.5 Kết luận chương ............................................................................................... 59 CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG MẠNG FTTX THEO CHUẨN GPON ................... 60 4.1 Giới thiệu chương ............................................................................................ 60 4.2 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng mạng quang .................................................. 61 4.2.1 Tỉ lệ lỗi bit BER .................................................................................... 61 4.2.2 Hệ số phẩm chất Q ................................................................................ 64 4.2.3 Đồ thị mắt ............................................................................................ 65 4.2.4 Mối quan hệ giữa đồ thị mắt và tỉ lệ lỗi bit BER ................................... 67 4.3 Các tham số đặc trưng cho mạng GPON .......................................................... 67 4.3.1 Bước sóng hướng xuống 1490 nm, hướng lên 1310 nm ........................ 67 4.3.2 Phương thức điều chế NRZ ................................................................... 68 4.3.2.1 Chức năng cơ bản của mã đường dây ............................................ 68 4.3.2.2 Tại sao lại dùng điều chế NRZ ...................................................... 69 4.4 Mô phỏng các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mạng GPON ......................... 71 4.4.1 Sơ đồ kết nối ......................................................................................... 71 4.4.2 Các tình huống mô phỏng ..................................................................... 73 4.4.2.1 Các thông số thiết lập chung ......................................................... 73 4.4.2.2 Ảnh hưởng của khoảng cách ........................................................ 74 4.4.2.3 Ảnh hưởng của hệ số chia của Splitter .......................................... 77 4.4.2.4 Ảnh hưởng của tốc độ bit .............................................................. 79 4.5 Kết luận chương ............................................................................................... 80 CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ....................... 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 82 Nghiên cứu và mô phỏng mạng truy nhập quang FTTx Nguyễn Như Huê Page 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG FTTx 1.1 Giới thiệu chương Chương này cho ta cái nhìn khái quát về sự ra đời, tình hình phát triển của mạng FTTx trên thế giới và tại Việt Nam cũng như những ứng dụng thực tiễn của mạng FTTx. 1.2 Nguồn gốc sự ra đời của mạng FTTx Ngày càng nhiều dịch vụ truy cập băng rộng ra đời mà băng thông của các loại hình dịch vụ đó là rất lớn. Bảng 1.1 cho ta thấy nhu cầu về băng thông cho một số loại hình dịch vụ như vậy. Bảng 0.1 Yêu cầu băng thông đối với một số loại hình dịch vụ Service Bandwidth (downstream) Broadcast TV (MPEG 2) 2 - 6 Mbps HDTV (MPEG 4) 6 - 12 Mbps High speed internet 3 - 10 Mbps Video Conferencing 300 - 570 Kbps Voice/Video Telephony 64 - 570 Kbps VoD 2 - 6 Mbps Tính đến thời điểm tháng 9/2008 số thuê bao băng rộng ở nước ta vượt 1,8 triệu thuê bao. So với năm 2007 số lượng thuê bao tăng thêm khoảng 50%. Tốc độ tăng chậm một phần do ảnh hưởng của suy thoái kinh tế. Trong các năm sau tốc độ tăng trưởng sẽ tương đương và thậm chí là nhanh hơn bởi nền kinh tế ổn định và phát triển. Biểu đồ Hình 1.1 dưới đây cho biết về tốc độ tăng trưởng thuê bao Internet tại Việt Nam tính từ năm 2008 đến năm 2012. Qua biểu đồ này, ta có thể thấy thị phần của thị trường Internet băng thông rộng sẽ tăng dần so với thị phần Internet chung và sẽ đạt mức tối đa 10% thị phần vào năm 2012. Nghiên cứu và mô phỏng mạng truy nhập quang FTTx Nguyễn Như Huê Page 4 Hình 1.1 Dự báo tăng trưởng Internet tại Việt Nam (nguồn CMC Telecom) Tốc độ tăng số lượng người dùng Internet, cũng như số lượng thuê bao quy đổi tại Việt Nam đang dần đi vào ổn định ở mức 10 – 30%. Số lượng người gia tăng do tác động của hội nhập, phát triển và do tác động của công nghệ với mục tiêu ngày càng tạo điều kiện thuận lợi hơn cho người sử dụng với tốc độ ngày một cao. Trong sự phát triển đó thì một phần là sự chuyển đổi của người sử dụng Internet từ công nghệ cũ (dial up) sang các công nghệ mới (đặc biệt là ADSL). Minh chứng là tốc độ tăng thuê bao quy đổi khá ổn định khoảng 30%/năm nhưng tốc độ tăng thuê bao băng rộng trong suốt mấy năm qua luôn ở mức trên 200% năm. Năng lực kết nối của các ISP ra quốc tế có tốc độ tăng nhanh qua các năm, ở mức trên 90% năm, điều đó chứng tỏ nhu cầu gia tăng cả về chất lượng cũng như số lượng người sử dụng Internet. Mạng Internet đường trục của Việt Nam thường được thiết kế với 3 port Internet đặt tại 3 miền, có hệ thống cáp biển và hệ thống cáp ngầm, chạy ring nhằm backup lẫn nhau khi có sự cố và chủ yếu vẫn kết nối với 3 điểm chính là Nhật Bản, Hồng Kông và Singapore thông qua chủ yếu hệ thống cáp quang biển. Đã có kết nối trung chuyển qua VNNIC và peering với nhau giữa các ISP nhằm tận dụng đường truyền và lưu lượng trong nước. Nghiên cứu và mô phỏng mạng truy nhập quang FTTx Nguyễn Như Huê Page 5 Rõ ràng, với yêu cầu bức thiết của thị trường viễn thông Việt Nam, các ISP đang ra sức tăng cường hạ tầng viễn thông mạng của mình để đáp ứng nhu cầu đó. Trên nền hạ tầng mạng như vậy có rất nhiều công nghệ truy nhập. Các công nghệ trong mạng truy nhập có thể được chia thành hai nhóm chính là: Các công nghệ hữu tuyến:  xDSL (Digital Subscriber Line): ADSL, HDSL, VDSL.. qua đường cáp đồng.  FTTx: (FTTH, FTTB, FTTC, FTTN..) truy nhập băng rộng qua đường cáp quang.  Truy nhập băng rộng qua đường điện (Broadband over Power Line – BPL hay Power Line Communications – PLC). Các công nghệ truy nhập vô tuyến:  Truy nhập qua vệ tinh.  Hệ thống truy nhập đa điểm nội hạt (LMDS – Local Multipoint Distribution System).  WiFi, WiMAX.  3G, HSPA. Công nghệ xDSL: tận dụng hệ thống hạ tầng cáp điện thoại bằng đồng có sẵn để truyền tải dữ liệu ở tốc độ cao, xDSL tách băng thông trên đường điện thoại thành hai: một phần nhỏ dành cho truyền âm thoại, phần lớn dành cho truyền tải dữ liệu ở tốc độ cao. xDSL có nhiều biến thể như ADSL (Asymetric DSL), ADSL2, ADSL2+, VDSL (Very high bit-rate DSL), HDSL.. Cáp truyền hình: Truy nhập Internet tốc độ cao qua đường truyền hình cáp là mô hình lai ghép HFC (Hybrid Fiber Coaxial), tận dụng cơ sơ hạ tầng cáp quang và cáp đồng trục của mạng truyền hình cáp, cho phép kết nối Internet với tốc độ download tối đa lên tới 10Mbps và tốc độ upload lên tới 2Mbps cao hơn nhiều so với tốc độ đường ADSL (8 Mbps download, 600 Kbps upload). Mạng cáp CATV truyền thống chỉ truyền tải thông tin 1 chiều từ nhà cung cấp nội dung chương trình (các kênh TV) tới các thuê bao. Để sử dụng được Internet – loại hình thông tin hai chiều thì các nhà cung cấp truyền hình cáp cần phải đầu tư nâng cấp thiết bị để có Nghiên cứu và mô phỏng mạng truy nhập quang FTTx Nguyễn Như Huê Page 6 khả năng truyền tải thông tin theo chiều ngược lại từ phía đầu cuối khách hàng. Đồng thời cần có các kết nối ra Internet qua các nhà cung cấp dịch vụ thứ ba. Điều này là một nhược điểm của phương án này vì cần chi phí triển khai, duy tu và bảo dưỡng cao. WiFi: là công nghệ mạng nội bộ không dây (WLAN) dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.11. WiFi đã và đang được sử dụng rất rộng rãi ở các nơi công cộng. Tuy nhiên Wifi không thích hợp là công nghệ truy nhập của nhà cung cấp dịch vụ vì khoảng cách bao phủ quá ngắn (dưới 100m). Với công nghệ Wi-Fi, các trạm đầu cuối truy nhập theo điểm truy cập (Access point) trên cơ sở ngẫu nhiên. Vì thế, trạm xa điểm truy cập dễ bị đứt kết