Cong Nghe Truy Nhap Quang [PDF]

Zitiervorschau

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

BÀI GIẢNG

CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP QUANG KHOA VIỄN THÔNG 1

Tác giả: TS. Nguyễn Đức Nhân ThS. Trần Thủy Bình

HÀ NỘI 12-2017

i

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm vừa qua đã chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ công nghệ truy nhập quang FTTx để đáp ứng kịp nhu cầu truy nhập băng rộng của người dùng. Do vậy cuốn bài giảng “Công nghệ truy nhập quang” được viết nhằm cung cấp cho sinh viên những kiến thức bổ ích liên quan đến môn học tự chọn cùng tên thay thế môn tốt nghiệp của sinh viên năm cuối. Tài liệu gồm 6 chương với các nội dung cơ bản như sau:  Chương 1: Trình bày tổng quan về công nghệ truy nhập băng rộng bao gồm cả các công nghệ truy nhập hữu tuyến đến vô tuyến.  Chương 2: Giới thiệu về mạng lai ghép HFC bao gồm kiến trúc mạng và giao thức DOCSIS để triển khai dịch vụ dữ liệu tốc độ cao trên mạng HFC.  Chương 3: Trình bày tổng quan về công nghệ mạng PON trong đó tập trung vào các vấn đề cơ bản của mạng TDM-PON bao gồm kiến trúc mạng, các thành phần tích cực và các thành phần thụ động sử dụng trên mạng, hoạt động truyền dẫn của mạng.  Chương 4: Trình bày về các công nghệ TDM-PON đã được chuẩn hóa bởi ITU-T và IEEE bao gồm BPON, GPON và EPON. Các hoạt động liên lạc MAC trong mỗi chuẩn này cũng được đề cập đến.  Chương 5: Giới thiệu về quá trình phát triển tiếp theo của mạng PON, một só giải pháp công nghệ có thể sử dụng cho các mạng PON thế hệ sau. Một số đặc tính kỹ thuật của các chuẩn NG-PON1 và NG-PON2 cũng được trình bày.  Chương 6: Trình bày một số vấn đề trong thiết kế và đo kiểm mạng truy nhập quang FTTx. Các vấn đề thiết kế tập trung vào tính toán các tham số của tuyến sợi quang. Các vấn đề cơ bản trong đo kiểm mạng FTTx cũng được trình bày cùng với các thiết bị đo liên quan. Chúng tôi hy vọng rằng cuốn bài giảng không chỉ là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên chuyên ngành viễn thông năm cuối mà còn cung cấp các kiến thức bổ ích về mạng truy nhập quang cho các kỹ sư trên mạng lưới và những ii

người quan tâm khác. Đây cũng là phiên bản đầu tiên được viết trong thời gian ngắn do vậy sẽ không tránh khỏi những sai sót. Chúng tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các quí thầy cô, các bạn sinh viên và những người quan tâm để hoàn thiện hơn cuốn tài liệu này.

TM Nhóm tác giả TS. Nguyễn Đức Nhân

iii

MỤC LỤC

DANH SÁCH THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

viii

Chương 1 Tổng quan công nghệ truy nhập băng rộng

1

1.1 Lịch sử phát triển

1

1.2 Công nghệ DSL

6

1.2.1 Các tiêu chuẩn DSL

6

1.2.2 Các phương pháp điều chế

8

1.3 Công nghệ HFC

9

1.3.1 Modem cáp

10

1.3.2 DOCSIS

10

1.4 Công nghệ PLC

11

1.4.1 PLC

12

1.4.2 Modem BPL

13

1.4.3 Các thách thức trong BPL

14

1.5 Công nghệ truy nhập vô tuyến

14

1.5.1 Các mạng lưới Wi-Fi

15

1.5.2 Mạng truy nhập WiMAX

17

1.5.3 Mạng di động

18

1.5.4 Hệ thống vệ tinh

20

1.5.5 Hệ thống LMDS và MMDS

22

1.6 Công nghệ truy nhập quang

24

1.7 Tổng kết chương

32

Câu hỏi/bài tập chương 1

32

Chương 2 Công nghệ HFC

33

2.1 Kiến trúc mạng HFC

33

2.2 Giao thức DOCSIS

36

2.2.1 Các phần tử mạng DOCSIS

37

2.2.2 Lịch sử phát triển

41 iv

2.2.3 Lớp vật lý DOCSIS

44

2.2.4 Quá trình đồng bộ và định khoảng cách

51

2.2.5 Phân lớp MAC DOCSIS

55

2.3 DOCSIS trên mạng PON

59

2.4 Truyền tín hiệu RF trên sợi quang

62

2.5 Tổng kết chương

68

Câu hỏi/bài tập chương 2

68

Chương 3 Mạng truy nhập quang thụ động

70

3.1 Kiến trúc mạng PON

70

3.1.1 Mô hình tham chiếu

70

3.1.2 Kiến trúc cơ bản

71

3.1.3 Truyền dẫn hai chiều trong TDM-PON

74

3.1.4 Truyền dẫn xếp chồng tín hiệu truyền hình cáp tương tự

78

3.2 Các thành phần PON tích cực

80

3.2.1 Khối OLT

80

3.2.2 Khối ONU/ONT

81

3.3 Các thành phần thụ động

82

3.3.1 Bộ ghép WDM

82

3.3.2 Bộ chia tách công suất

87

3.3.3 Cáp quang cho hệ thống PON

89

3.3.4 Kết nối quang

91

3.4 Bộ thu phát PON

96

3.4.1 Chế độ truyền dẫn kiểu burst

96

3.4.2 Các công nghệ thu phát

100

3.5 Tổng kết chương

104

Câu hỏi/bài tập chương 3

104

Chương 4 Các công nghệ TDM-PON

106

4.1 Giới thiệu

106

4.2 Công nghệ BPON

107 v

4.2.1 Kiến trúc BPON

107

4.2.2 Đặc tính hoạt động của BPON

109

4.2.3 Điều khiển lưu lượng trong BPON

115

4.3 Công nghệ GPON

119

4.3.1 Kiến trúc GPON

119

4.3.2 Đặc tính của GPON

123

4.3.3 Lớp hội tụ truyền dẫn

126

4.4 Công nghệ Ethernet trong mạng truy nhập quang

138

4.4.1 Kiến trúc EPON

139

4.4.2 Chức năng MPCP

143

4.4.3 Ethernet điểm – điểm

148

4.5 Tổng kết chương

149

Chương 5 Công nghệ PON thế hệ mới

151

5.1 Xu hướng phát triển mạng PON

151

5.2 Các công nghệ PON miền quang khác

153

5.2.1 WDM-PON

153

5.2.2 CDMA-PON

158

5.2.3 OFDM-PON

160

5.3 Công nghệ NG-PON1

163

5.3.1 Kiến trúc mạng XG-PON

163

5.3.2 Các tiêu chuẩn liên quan đến lớp vật lý

165

5.3.3 Lớp hội tụ tuyền dẫn và cấu trúc khung

167

5.3.4 Sửa lỗi tiến (FEC)

171

5.3.5 Phương pháp đóng gói tin XG-PON (XGEM)

171

5.3.6 Quản lý XG-PON

173

5.3.7 Bảo mật trong XG-PON

173

5.4 Công nghệ NG-PON2

174

5.4.1 Yêu cầu chính đối với NG-PON2

174

5.4.2 Lựa chọn công nghệ cho NG-PON2

175 vi

5.4.3 Tiêu chuẩn ITU-T cho NG-PON2

177

5.5 Tổng kết chương

181

Chương 6 Một số vấn đề thiết kế và đo kiểm mạng FTTx

183

6.1 Các tiêu chuẩn thiết kế

183

6.1.1 Các yêu cầu cơ bản

184

6.1.2 Dự trữ hệ thống

185

6.1.3 Các mức bù công suất

186

6.2 Quỹ công suất tuyến

188

6.2.1 Tính quỹ công suất

189

6.2.2 Quỹ công suất cửa sổ 1310 nm

191

6.2.3 Quỹ công suất cửa sổ 1490 nm

194

6.3 Ước tính dung lượng tuyến

196

6.3.1 Công thức cơ bản

196

6.3.2 Thời gian lên của tuyến

198

6.4 Các chế độ bảo vệ mạng

199

6.5 Đo kiểm mạng FTTx

201

6.5.1 Các thiết bị đo kiểm cơ bản

202

6.5.2 Các phép đo kiểm tham số quang cơ bản

203

6.6 Tổng kết chương

209

Tài liệu tham khảo

212

vii

DANH SÁCH THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu

Tiếng Anh

Tiếng Việt A

ADM

Add Drop Multiplexer

Bộ ghép kênh xen rẽ

APON

ATM Passive Optical Network

Mạng quang thụ động dùng ATM

ATM

Asynchronous Tranfer Mode

Chế độ truyền tải không đồng bộ

AUI

Attchment Unit Interface

Cáp nối với thiết bị

B BER BPON

Bit Error Rate

Tỷ lệ bit lỗi Mạng quang thụ động băng rộng

Broadband Passive Optical Network C

CDM

Code Division Multiplexing

Ghép kênh theo mã

CE

Customer Equipment

Thiết bị khách hàng

CIR

Constant Information Rate

Tốc độ thông tin tốt nhất

CO

Central Office

Tổng đài trung tâm

CRC

Cyclic Redundancy Check

Kiểm tra vòng dư

CSMA/CD

Carrier sense Multiple access collision detect

Đa truy nhập cảm nhận sống mang/tách xung đột

D DA

Destination Address

Địa chỉ đích

DCE

Data Communications Equipment

Thiết bị thông tin số liệu

DCS

Digital Crossconect

Bộ nối chéo số

DFSM

Dispersion Flattened single Mode

Sợi tán sắc phẳng

viii

DLC

Digital Loop Carrier

Sóng mang vòng số

DSL

Digital Subcriber Loop

Vòng thuê bao số

DSSM

Dispersion Shifted Single Mode

Sợi tán sắc dịch chuyển

Data Terminal Equipment

Thiết bị đầu cuối số liệu

Dense Wavelength Division

Ghép bước sóng với mật độ cao

DTE DWDM

Multiplexing E

E-LAN

Ethernet Local Area Network

Mạng LAN Ethernet

E-Line

Ethernet Line

Đường Ethernet

EMS

Element Management System

Phần tử quản lý hệ thống

EPON EVC

Ethernet Passive Optical Network Ethernet Virtual Connection

Mạng quang thụ động dùngEthernet Kết nối ảo Ethernet

F FCS

Frame Check Sequence

Dãy bit kiểm tra khung

FDM

Frequency Division Multiplexing

Ghép kênh theo tần số

FSAN

Full Service Access Network

Tập dịch vụ mạng truy nhập

FTTB

Fiber to the Building

Cáp quang nối đến toà nhà

FTTC

Fiber to the Curb

Cáp quang nối đến cụm dân cư

FTTH

Fiber to the Home

Cáp quang nối tận nhà H

HFC

Hybrid Fiber Coax Television System

Hệ thống phân phối tín hiệu truyền hình lai ghép cáp quangcáp đồng trục

I IFG

Inter Frame Gap

Khoảng cách giữa hai khung liền kề

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet ix

IPG ISO

Inter Packet Gap

Khoảng cách hai gói liền kề

International Organization for Standardization

Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế

L LAN

Local Area Network

Mạng nội bộ

LLC

Logical Link Control

Điều khiển liên kết logic

LMDS LTE

Local MultiPoint Disttribution

Hệ thống phân bố đa điểm cục bộ

System Line Terminal Equipment

Thiết bị kết cuối đường dây

M MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy nhập môi trường

MAN

Metro Area Network

Mạng diện rộng

MAU

Media Access Unit

Khối truy nhập môi trường

MDI

Medium Dependent Interface

Giao diện độc lập môi trường

MEF

Diễn đàn về Ethernet trong mạng diện rộng

Metro Ethernet Forum

MEN

Metro Ethernet Network

Mạng diện rộng dùng Ethernet

MIB

Management Information Base

Cơ sở thông tin quản lý

MII

Medium Independent Interface

Giao diện phụ thuộc môi trường

MMDS

Hệ thống phân bố đa kênh, đa điểm

Multi Channel Multi Point distribution System

MPCP

MultiPoint Control Protocol

Giao thức điều khiển đa điểm

MPLS

Multi Protocol Label Switching

Chuyển mạch nhãn đa giao thức

N NIC

Network Interface cards

Card giao diện mạng

NLP

Normal Link Pulse

Xung báo hiệu liên kết bình thường O x

OLT

Optical Line Terminal

Thiết bị kết cuối đường quang

ONT

Optical Network Terminal

Thiết bị kết cuối mạng quang

P PCS

Physical Coding Sublayer

Lớp con mã hoá vật lý

PDU

Protocol Data Units

Đơn vị số liệu giao thức

PMA

Physical Layer Attachment

Truy nhập lớp vật lý

PMD

Physical Medium Dependent

Phụ thuộc môi trường vật lý

PON

Passive Optical Network

Mạng quang thụ động

PVC

Permanent virtual Circuit

Mạch ảo bán cố định

S SA

Source Address.

Địa chỉ nguồn

SFD

Start of Frame Delimiter

Ranh giới bắt đầu khung

SME

Station Management Entity

Thực thể quản lý trạm

SMF

Single Mode Fiber

Sợi quang đơn mode

SSM

Standard Single Mode

Sợi đơn mode chuẩn

T TCP

Transport Control Protocol

Giao thức điều khiển truyền tải

TDM

Time Division Multiplexing

Ghép kênh theo thời gian

U UNI

User Network Interface

Giao diện mạng-người dùng

UTP

Unshielded Twisted Pair

Cáp trần xoắn đôi

V VLAN

Virtual Local Area Network

Mạng LAN ảo

VPN

Virtual Private Network

Mạng riêng ảo

W WAN

Wide Area Network

Mạng diện rộng

xi

WDM

Wavelength Division

Ghép kênh theo bước sóng

Multiplexing

xii

Chương 1 Tổng quan công nghệ truy nhập băng rộng

Trong những thập kỉ qua đã chứng kiến nhiều sự thay đổi về công nghệ mạng truy nhập để đáp ứng nhu cầu người dùng. Chương này sẽ trình bày tổng quan các mạng truy nhập băng rộng hiện có, từ đó thấy được vai trò và sự phát triển của mạng truy nhập quang.

1.1 Lịch sử phát triển Mạng truyền thông toàn cầu ngày nay là một hệ thống vô cùng phức tạp và bao phủ một vùng địa lý rất lớn tất cả trên thế giới và thậm chí ngoài không gian. Một hệ thống phức tạp như vậy được xây dựng và được quản lý trong một cấu trúc phân cấp gồm các mạng diện rộng, diện đô thị, diện truy nhập, cục bộ. Tất cả các lớp mạng phối hợp để thực hiện siêu nhiệm vụ: truyền thông liên lạc trên bất cứ phương tiện nào, bất cứ đâu, bất cứ lúc nào và cho bất cứ ai.

Hình 1-1 Kiến trúc phân cấp của hạ tầng mạng truyền thông toàn cầu.

1

-

Mạng cục bộ: Các mạng cục bộ (LAN) kết nối chính các máy tính và các thiết bị điện tử khác (máy chủ, máy in, v.v.) trong một văn phòng, một tòa nhà hoặc một vài tòa nhà lân cận. Do đó, vùng phủ địa lý của LAN là rất nhỏ trải từ vài mét đến vài trăm mét. Các LAN nhìn chung không phải là một phần của các mạng công cộng nhưng được sở hữu và vận hành bởi các tổ chức tư nhân. Các cấu hình chung của LAN là bus, vòng, sao hoặc cây. Các LAN phổ biến nhất là các phần của Ethernet hỗ trợ vài trăm người dùng có các tốc độ bit điển hình ở 10 hoặc 100 Mb/s.

-

Mạng truy nhập: Các máy tính và thiết bị liên lạc khác của một tổ chức tư nhân luôn luôn được kết nối với một mạng viễn thông công cộng thông qua các mạng truy nhập. Các mạng truy nhập tạo cầu nối những người dùng đầu cuối đến các nhà cung cấp dịch vụ thông qua cặp đôi dây xoắn (đường dây điện thoại), cáp đồng trục, hoặc các đường dây thuê riêng (như OC3 thông qua sợi quang). Khoảng cách điển hình bao phủ bởi một mạng truy nhập là một vài km lên tới 20 km. Đối với người dùng đầu cuối cá nhân, các mạng truy nhập sử dụng công nghệ DSL hoặc modem cáp có tốc độ truyền dẫn cỡ một vài Mbit/s; đối với người dùng doanh nghiệp, các mạng sử dụng các tuyến sợi quang điểm-điểm tại hàng trăm Mbit/s hoặc Gbit/s.

-

Mạng vùng đô thị: Các mạng vùng đô thị (MAN) tập hợp lưu lượng từ các mạng truy nhập và truyền tải dữ liệu tại tốc độ cao hơn. Vùng bao phủ điển hình của một MAN trải rộng trên một khu vực đô thị hoặc một vùng nhỏ ở ngoại thành. Cấu hình của MAN thường là một cấu hình vòng sợi quang kết nối nhiều tổng đài với tốc độ truyền dẫn điển hình là 2,5 hoặc 10 Gbit/s.

-

Mạng diện rộng: Các mạng diện rộng (WAN) mang một lượng lớn lưu lượng giữa các thành phố, các quốc gia và các lục địa. MAN ghép lưu lượng từ các LAN và truyền tải lưu lượng tổng tại tốc độ dữ liệu cao hơn nhiều, điển hình hàng chục Gbit/s hoặc cao hơn khi sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) trên sợi quang. Trong khi một WAN bao phủ khu vực của một quốc gia hoặc trong một số trường hợp là nhiều quốc gia, một tuyến thông qua một MAN có thể dài cỡ vài ngàn km. Vượt ngoài MAN, các tuyến cáp biển kết nối các lục địa với nhau. Nhìn chung, các hệ thống thông tin quang biển là các tuyến điểm – điểm có dung lượng lớn và khoảng cách dài từ vài ngàn lên tới cả 10000 2

km. Vì các tuyến này được thiết kế cho khoảng cách siêu dài và vận hành dưới biển, các yêu cầu thiết kế nghiêm ngặt hơn nhiều so với các tuyến trên đất liền. Hiện tại, các tuyến thông tin quang biển được sử dụng qua các đại dương Thái Bình Dương và Đại Tây Dương. Một số các tuyến thông tin quang biển ngắn hơn cũng được sử dụng rộng rãi ở các khu vực Địa Trung Hải, Châu Á Thái Bình Dương và Châu Phi. -

Hội tụ dịch vụ: Trong lịch sử, các mạng truyền thông cung cấp chủ yếu ba loại dịch vụ: thoại, dữ liệu và video (triple play). Đàm thoại sử dụng điện thoại truyền thống là một tín hiệu tương tự liên tục 3,4 kHz được mang bởi các kênh điểm – điểm hai chiều có yêu cầu trễ rất ngặt nghèo. Tín hiệu TV tiêu chuẩn là một tín hiệu tương tự liên tục 6 MHz thường được phân phối kiểu phát quảng bá điểm – đa điểm. Truyền dữ liệu điển hình dạng chùm gói tin có băng thông và yêu cầu trễ biến đổi. Vì các đặc tính lưu lượng của thoại, dữ liệu và video và các yêu cầu tương ứng của chúng như chất lượng dịch vụ (QoS) cơ bản khác nhau, nên ba kiểu mạng chính đã được phát triển cụ thể để phân phối các dịch vụ này theo một kiểu hiệu quả về chi phí: PSTN (Mạng thoại chuyển mạch công cộng) cho liên lạc thoại, mạng HFC (lai ghép cáp đồng trục sợi quang) cho phân phối video, và Internet cho truyền dữ liệu. Mặc dù các mạng HFC được tối ưu cho phát quảng bá video, liên lạc một chiều là không phù hợp với dữ liệu hoặc thoại hai chiều. PSTN lựa chọn công nghệ chuyển mạch kênh để mang thông tin có băng tần hoặc tốc độ dữ liệu xác định như các tín hiệu thoại. Tuy nhiên các mạng chuyển mạch kênh không hiệu quả cho việc mang lưu lượng dữ liệu dạng burst. Với chuyển mạch gói, Internet có thể hỗ trợ truyền dữ liệu dạng burst, nhưng nó rất khó đáp ứng được các đòi hỏi trễ ngặt nghèo cho các ứng dụng xác định. Do đó, không có mạng đơn nào có thể thỏa mãn tất cả các yêu cầu dịch vụ. Các ứng dụng đa phương tiện đang nổi lên như video theo yêu cầu, e-learning và trò chơi tương tác đòi hỏi truyền dẫn đồng thời thoại, dữ liệu và video. Kích thích bởi nhu cầu người dùng và sự cạnh tranh gay gắt, các nhà cung cấp dịch vụ đang dịch chuyển hướng tới một mạng hội tụ cho các ứng dụng đa phương tiện, cái sử dụng các công nghệ giao thức Internet (IP) để cung cấp các dịch vụ triple-play. Vì VoIP (thoại trên nền IP) đã được phát triển trong vài năm quá khứ và gần đây hơn IP TV đã trở thành một công nghệ chín muồi, nên tất cả các dịch vụ mạng sẽ hội tụ trong một nền tảng dịch 3

vụ dựa trên IP. Hơn nữa, sự tích hợp các công nghệ quang và vô tuyến sẽ làm dịch vụ quadruple-play (thoại, dữ liệu, video và di động) thành thực tế trong tương lai gần. Mạng truy nhập truyền thống bao gồm các kết nối có dây điểm – điểm giữa các thuê bao điện thoại và một hệ thống chuyển mạch hoặc ghép kênh điện tử. Mạng truy nhập ban đầu đã sử dụng một đôi dây riêng biệt (được xem như là đường cáp đồng hoặc mạch vòng) giữa thuê bao và tổng đài trung tâm (CO – central office). Khi chi phí công nghệ ghép kênh giảm xuống, nó trở nên kinh tế hơn trong nhiều trường hợp để kết nối các thuê bao đến một thiết bị đầu cuối xa. Thiết bị đầu xa (RT) này sẽ ghép các cuộc gọi từ nhiều thuê bao trên lên một số lượng đường dây nhỏ hơn để kết nối với CO. Chi phí mạng được giảm xuống bằng việc sử dụng các cặp đôi dây ít hơn từ CO đến các khu vực xa. Khi công nghệ tiến triển từ ghép kênh miền tần số tương tự (FDM) sang ghép kênh số miền thời gian (TDM), các hệ thống RT trở thành các hệ thống gọi là nhà mạng mạch vòng số (DLC). Truy nhập dữ liệu đến mạng điện thoại đã bắt đầu bằng cách đưa các modem băng tần thoại có thể phát dữ liệu như là một tín hiệu điều chế trong tần số thông dải băng tần thoại 4 kHz theo danh định. Các đường dây mạch vòng ngắn hơn bởi DLC đã làm các công nghệ điều chế hiệu suất lớn hơn trở thành thiết thực. Tuy nhiên, dung lượng dữ liệu cực đại của các modem thoại bị giới hạn ở 33,6 kbit/s hoặc 56 kbit/s dưới hoàn cảnh đặc biệt. Như một kết quả, các công nghệ ngoài băng được giới thiệu phát các tín hiệu trên đường cáp đồng tại các tần số ngoài băng tần thoại. Vì các công nghệ này gửi thông tin số trong các tín hiệu ngoài băng, chúng được gọi chung là công nghệ đường dây thuê bao số (DSL). Vì các đường dây thuê bao được triển khai trên các đôi dây xoắn, với nhiều đường dây chia sẻ cùng một cáp mà không có được che bảo vệ điện từ với nhau, nên có các giới hạn về băng thông có thể thực hiện được bằng DSL. Vì lí do này, các nhà cung cấp mạng trở nên quan tâm đến các giải pháp công nghệ thay thế đường dây thuê bao để cung cấp truy nhập băng rộng. Ba công nghệ chính cạnh tranh là công nghệ kết nối cáp đồng trục, cáp sợi quang và vô tuyến không dây. Các mạng cáp đồng trục đã được sử dụng bởi các công ty truyền hình cáp (CATV) để cung cấp dịch vụ phân phối video quảng bá. Vì các khả năng băng thông cao của cáp đồng trục, chúng có tiềm năng để cung cấp các dịch vụ băng rộng cho các thuê bao. Để cung cấp các dịch vụ dữ liệu băng rộng, các công ty CATV đã 4

tiến triển các mạng của chúng để hỗ trợ truyền dẫn dữ liệu hướng lên và đưa vào cáp sợi quang cho hiệu năng cao hơn trong phần cáp gốc (feeder) của mạng. Các nhà cung cấp mạng điện thoại đã đáp lại các ưu điểm băng rộng tiềm năng của các công ty CATV bằng việc sử dụng sợi bổ sung trong các mạng truy nhập của họ. Các công ty điện thoại đã sử dụng sợi trực tiếp tới mỗi nhà thuê bao trong một số khu vực. Các công ty khác đang sử dụng sợi quang tới các đầu cuối đủ gần nhà thuê bao để các dịch vụ băng rộng có thể được cung cấp bởi các công nghệ DSL tốc độ cao mới nhất. Đặc điểm hấp dẫn nhất ở sợi quang là dung lượng băng thông không bị giới hạn. Nhược điểm cơ bản là chi phí tương đối cao của mạng và các thành phần quang liên quan. Truy nhập không dây ban đầu không phải là công nghệ cạnh tranh có nghĩa cho truy nhập băng rộng. Tuy nhiên khi các mạng di động trở nên được sử dụng rộng rãi và các công nghệ và các giao thức mới đã được phát triển, truy nhập băng rộng không dây đã ngày càng trở nên quan trọng. Nó đặc biệt hấp dẫn trong các vùng thiếu cơ sở hạ tầng cáp có thể đáp ứng sự tiến triển của các dịch vụ băng rộng. Các ví dụ các vùng như vậy bao gồm các quốc gia đang phát triển và các vùng nông thôn. Nó cũng cho phép ưu điểm rất có nghĩa là cho phép cung cấp dịch vụ di động mọi lúc mọi nơi hơn là giới hạn dịch vụ tại nhà thuê bao. Vì một lượng phổ giới hạn sẵn có cho sử dụng trong các dịch vụ băng rộng, các mạng để hỗ trợ điều này đang trở nên ngày càng phức tạp. Đối với hiệu suất phổ, các mạng không dây sử dụng các lưới ăngten mà mỗi thuê bao chỉ cần đủ công suất để đạt tới ăngten gần nhất. Vùng được bao phủ bởi mỗi ăngten được xem như là một tế bào. Kết quả là cùng tần số có thể được sử dụng bởi các thuê bao trong các tế bào không cạnh nhau, vì các tín hiệu của chúng không nên truyền đủ xa để gây giao thoa với nhau. Các định dạng tín hiệu đã được tối ưu hóa trong các giao thức mới nhất để tiếp cận giới hạn Shannon cho các bit dữ liệu được phát trên đơn vị băng thông kênh truyền. Dung lượng được tăng thêm bằng việc tái sử dụng phổ thông qua các tế bào nhỏ hơn và các công nghệ ăngten thông minh. Cả hai cộng thêm chi phí và các tín hiệu vô tuyến luôn luôn dễ bị tác động bởi các kiểu giao thoa khác nhau so với các công nghệ hữu tuyến. .

5

1.2 Công nghệ DSL Mạch vòng thuê bao số là một họ công nghệ truy nhập sử dụng đường dây điện thoại (đôi dây xoắn) để cung cấp dịch vụ truy nhập băng rộng. Trong khi các tín hiệu thoại được mang bởi hệ thống điện thoại bị giới hạn từ 300 đến 3400 Hz, đôi dây xoắn kết nối người dùng với tổng đài có thể cho phép mang các tần số ngoài giới hạn 3,4 kHz của hệ thống điện thoại. Phụ thuộc vào độ dài và chất lượng của đôi dây xoắn, giới hạn trên có thể mở rộng lên tới hàng chục MHz. DSL tận dụng băng thông không sử dụng này và truyền dữ liệu sử dụng các kênh đa tần. Như vậy, một số kiểu DSL cho phép sử dụng đồng thời truy nhập thoại và băng rộng trên cùng đôi dây xoắn. Hình 1-2 cho thấy thiết lập điển hình của một cấu hình DSL. Tại tổng đài, một thiết bị DSLAM (Bộ ghép kênh truy nhập DSL) gửi dữ liệu tới người dùng thông qua các kênh hướng xuống. Tại phía người dùng, một modem DSL hoạt động như một bộ điều chế/giải điều chế (tức thu dữ liêu từ DSLAM và điều chế dữ liệu người dùng cho truyền dẫn hướng lên).

1.2.1 Các tiêu chuẩn DSL DSL có các tiêu chuẩn khác nhau hỗ trợ các tốc độ hướng lên/hướng xuống và khoảng cách truy nhập khác nhau. Các tiêu chuẩn DSL được quy định trong ANSI T1 và khuyến nghị ITU-T G.992/993. Bảng 1.1 liệt kê các tiêu chuẩn DSL và hiệu năng của chúng. Nhìn chung, các công nghệ DSL này được xem như là xDSL. Hai tiêu chuẩn DSL được sử dụng phổ biến là ADSL và VDSL.

Hình 1-2 Mạng truy nhập DSL

6

Như tên cho thấy, ADSL hỗ trợ truyền dẫn bất đối xứng. Vì tỉ lệ bất đối xứng lưu lượng điển hình là khoảng 2:1 tới 3:1, nên ADSL trở thành sự lựa chọn phổ biến cho truy nhập băng rộng. Thêm nữa, có xuyên âm nhiều hơn từ các kênh khác tại đầu cuối DSLAM. Khi tín hiệu hướng lên là yếu tại đầu DSLAM, nó dễ hiểu về mặt kỹ thuật để có tốc độ hướng lên thấp hơn. Phụ thuộc vào độ dài và chất lượng (như tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu) của đôi dây xoắn, tốc độ hướng xuống có thể cao cỡ 10 lần của hướng lên. Khoảng cách cực đại của ADSL là 5500 m. Trong khi ADSL1 có thể hỗ trợ tốc độ hướng xuống lên tới 8 Mbit/s và một tốc độ hướng lên tới 896 kbit/s, ADSL2 hỗ trợ lên tới 15 Mbit/s hướng xuống và 3,8 Mbit/s hướng lên. Bảng 1.1 Các tiêu chuẩn DSL

Để hỗ trợ các tốc độ bit cao hơn, tiêu chuẩn VDSL đã được phát triển sau ADSL. Bù trừ khoảng cách truyền dẫn cho tốc độ dữ liệu, VDSL có thể hỗ trợ tốc độ cao hơn nhiều nhưng có khoảng cách rất hạn chế. Tiêu chuẩn VDSL1 xác định tốc độ dữ liệu cỡ 50 Mbit/s cho luồng xuống và 30 Mbit/s cho luồng lên. Khoảng cách cực đại của VDSL1 bị giới hạn ở 1500 m. Bộ tiêu chuẩn VDSL mới hơn, VDSL2 là một sự tăng cường của VDSL1 hỗ trợ tốc độ lên tới 100 Mbit/s (với khoảng cách truyền dẫn cỡ 500 m). Tại khoảng cách 1 km, tốc độ bit sẽ giảm xuống 50 Mbit/s. Đối với các khoảng cách dài hơn 1,6 km, chất lượng VDSL2 xuống sát với ADSL. Vì tốc độ dữ liệu cao hơn và khoảng cách dài như ADSL, VDSL2 được coi như là giải pháp hứa hẹn cho việc nâng cấp hạ tầng ADSL hiện tại.

7

ADSL và VDSL được thiết kế cho các thuê bao nhà dân có nhu cầu băng thông bất đối xứng. Đối với người dùng doanh nghiệp, các kết nối đối xứng thường được yêu cầu. Hai tiêu chuẩn DSL đối xứng, HDSL và SHDSL, được phát triển cho các khách hàng doanh nghiệp. Trong khi HDSL hỗ trợ tốc độ dữ liệu đường truyền T1 tại 1,552 Mbit/s (gồm 8 kbit/s mào đầu) với khoảng cách cỡ khoảng 4000 m, thì SHDSL có thể cung cấp tốc độ dữ liệu 6,696 Mbit/s với khoảng cách cực đại cỡ 5500 m. Tuy nhiên, HDSL và SHDSL không hỗ trợ dịch vụ thoại đồng thời vì hầu hết các khách hàng doanh nghiệp không có đòi hỏi một kênh thoại đồng thời.

1.2.2 Các phương pháp điều chế DSL sử dụng phương pháp điều chế đa tần rời rạc (DMT). Trong điều chế DMT, khai triển Fourier đảo rời rạc chuyển đổi phức thành thực được sử dụng để phân chia băng tần sẵn có của đôi dây sẵn thành 256 kênh con trực giao. DMT thích ứng với chất lượng của đôi dây xoắn, do đó tất cả băng tần sẵn có được sử dụng hoàn toàn. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu của mỗi kênh con được giám sát liên tục. Dựa trên tốc độ lỗi bít và mức nhiễu dư, một tập các kênh con được lựa chọn và một khối bit dữ liệu được sắp xếp vào các kênh con. Trong mỗi kênh con, QAM (điều chế biên độ cầu phương) với tốc độ ký hiệu 4 kHz được sử dụng để điều chế luồng bít lên một sóng mang con dẫn đến tốc độ 60 kbit/s mỗi kênh. Điển hình dải tần giữa 25 và 160 kHz được sử dụng cho truyền dẫn hướng lên, và 140 kHz đến 1,1 MHz được sử dụng cho truyền dẫn hướng xuống.

Hình 1-2 Mạng truy nhập DSL

DSL đã được thiết kế ban đầu để mang dữ liệu trên đường dây điện thoại và tín hiệu DSL được tách khỏi tín hiệu thoại. Gần đây, các giao thức mới đã được đề xuất để để gộp thoại và dữ liệu ở mức kênh. Với công nghệ mã hóa tiên tiến, một tín hiệu thoại số hóa 64 kbit/s có thể được nén xuống 8 kbit/s hoặc nhỏ hơn, như vậy cho phép nhiều kênh thoại hơn được mang trên cùng đường truyền thoại. Một cổng kết nối thoại trên DSL (VoDSL) chuyển đổi và nén tín hiệu thoại tương tự thành luồng bit số, do vậy các cuộc gọi này qua VoDSL không thể phân biệt với các cuộc 8

gọi truyền thống. Thông thường, 12 đến 20 kênh thoại có thể được mang trên một đường DSL phụ thuộc vào khoảng cách truyền dẫn và chất lượng tín hiệu. Một hệ thống VoDSL có thể được tích hợp vào các giao thức lớp cao hơn như IP và ATM. Các mạng DSL đầu tiên đã sử dụng ATM để đảm bảo QoS, trong đó các kênh ảo ATM đã được sử dụng cho lưu lượng thoại. Các mạng ADSL và VDSL dịch chuyển sang truyền tải dựa trên gói và chúng sử dụng các kênh ảo dựa trên chuyển mạch gói thay cho ATM.

1.3 Công nghệ HFC Mạng cáp ban đầu được phát triển vì một lí do rất đơn giản: phân phối tín hiệu TV. Do đó, các mạng cáp được tối ưu cho phát quảng bá các tín hiệu TV tương tự một chiều điểm – đa điểm. Khi các hệ thống thông tin quang phát triển, hầu hết các hệ thống truyền hình cáp đã được nâng cấp dần dần thành mạng lai ghép cáp đồng trục sợi quang (HFC), loại bỏ rất nhiều các bộ khuếch đại điện dọc theo các đường trung kế. Tuy nhiên, trước khi công nghệ truy nhập cáp có thể được sử dụng thì một đường thông trở về phải được triển khai cho lưu lượng hướng lên. Để hỗ trợ liên lạc hai chiều, các bộ khuếch đại song hướng phải được sử dụng trong các hệ thống HFC mà ở đó các bộ lọc được sử dụng để tách các tín hiệu hướng lên và hướng xuống cho khuếch đại riêng biệt.

Hình 1-3 Mạng HFC

Hình 1-3 cho thấy kiến trúc mạng của một mạng HFC điển hình. Trong các mạng HFC, các tín hiệu TV tương tự được mang từ trạm trung tâm truyền hình (headend) tới các nút phân phối sử dụng sợi quang, và từ các nút phân phối các nhánh cáp đồng trục được sử dụng để phục vụ 500 tới 2000 thuê bao. Như cho thấy trong hình, một mạng HFC là một hệ thống môi trường chia sẻ có cấu hình cây. Trong một cấu hình như vậy, nhiều người dùng chia sẻ cùng hạ tầng HFC, do vậy điều khiển truy nhập môi trường được yêu cầu trong truyền dẫn hướng lên trong khi 9

truyền dẫn hướng xuống sử dụng chế độ phát quảng bá. Một modem cáp được sử dụng tại đầu cuối thuê bao cung cấp kết nối dữ liệu cho mạng cáp, trong khi tại headend hệ thống kết cuối modem cáp kết nối với nhiều máy chủ dữ liệu và cung cấp dịch vụ cho các thuê bao. So với các đôi dây xoắn trong hệ thống điện thoại, các cáp đồng trục có băng thông cao hơn nhiều (1000 MHz), như vậy có thể hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao hơn nhiều. Phụ thuộc vào tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu trrên cáp đồng trục, tốc độ 40 Mbit/s có thể được phân phối tới người dùng đầu cuối bằng sử dụng điều chế QAM. Đối với truyền dẫn hướng lên, điều chế QPSK có thể phân phối tốc độ dữ liệu lên tới 10 Mbit/s. Tuy nhiên, vì hệ thống cáp là mạng môi trường chia sẻ, như vậy băng thông được chia sẻ với tất cả các modem cáp được kết nối với mạng. Ngược lại, DSL sử dụng các đôi dây xoắn riêng biệt cho mỗi người dùng, không có sự chia sẻ băng thông cho những người dùng khác nhau. Hơn nữa, vì băng thông truyền dẫn phải được chia sẻ bởi nhiều người dùng nên giao thức điều khiển truy nhập môi trường phải được sử dụng để điều khiển truyền dẫn hướng lên. Nếu nghẽn xảy ra trong một kênh xác định, thì headend phải có thể chỉ dẫn các modem cáp điều chỉnh bộ thu tới một kênh khác.

1.3.1 Modem cáp Các modem cáp đã được phát triển để truyền tải dữ liệu tốc độ cao tới và từ người dùng đầu cuối trong mạng HFC. Phát quảng bá TV truyền thống chiếm vùng tần số lên tới 1 GHz với mỗi kênh TV chiếm 6 MHz băng thông. Một modem cáp sử dụng hai trong các kênh 6 MHz này để truyền dữ liệu. Đối với truyền dẫn hướng lên, một modem cáp gửi dữ liệu người dùng tới headend nhờ sử dụng một băng 6 MHz giữa 5 và 42 MHz. Đồng thời, modem cáp phải điều chỉnh bộ thu của nó tới một băng 6 MHz trong dải 450 đến 750 MHz để thu dữ liệu hướng xuống. Trong khi một chế độ điều chế QAM được sử dụng cho dữ liệu hướng xuống, thì chế độ QPSK thường được lựa chọn cho truyền dẫn hướng lên vì nó miễn nhiễm tốt hơn với sự giao thoa gây ra từ phát quảng bá vô tuyến.

1.3.2 DOCSIS DOCSIS (Đặc điểm giao diện dịch vụ dữ liệu trên cáp) được phát triển bới Cable-Labs, một hiệp hội các nhà sản xuất thiết bị, là tiêu chuẩn hiện hành cho công nghệ truy nhập cáp. DOCSIS định nghĩa các chức năng và các tính chất của modem cáp tại nhà thuê bao và hệ thống kết cuối modem cáp tại headend. Như tên của nó 10

cho thấy, DOCSIS xác định các đặc tính lớp vật lý như tần số truyền dẫn, tốc độ bít, định dạng điều chế và các mức công suất của modem cáp và hệ thống kết cuối modem cáp, mà còn cả giao thức lớp liên kết dữ liệu như cấu trúc khung, điều khiển truy nhập môi trường và bảo mật tuyến. Ba phiên bản khác nhau của DOCSIS đã được phát triển trong thời gian qua và sau đó đã được phê chuẩn như là khuyến nghị ITU-T J.112, J.122 và J.222. Mặc dù một số thỏa hiệp được cần vì mạng cáp là một môi trường chia sẻ, DOCSIS cho phép các lớp dịch vụ khác nhau với điều khiển truy nhập môi trường. Các đặc trưng QoS nổi bật trong DOCSIS có thể hỗ trợ các ứng dụng (như VoIP) có yêu cầu trễ và băng thông nghiêm ngặt. Lớp vật lý: Lớp PMD hướng lên hỗ trợ hai định dạng điều chế: QPSK và 16QAM, và các lớp PMD hướng xuống sử dụng 64-QAM và 256-QAM. Tốc độ ký hiệu danh định là 0,16, 0,32, 0,64, 1,28, 2,56 hoặc 5,12 Mbaud. Do đó, tốc độ dữ liệu hướng xuống cực đại là khoảng 40 Mbit/s và tốc độ dữ liệu hướng lên là khoảng 20 Mbit/s. Để loại trừ ảnh hưởng của nhiễu và các ảnh hưởng xấu khác của kênh truyền, mã hóa Reed-Solomon, bộ cân bằng khối phát và các chế độ đan xen khả biến thường được sử dụng. Lớp liên kết dữ liệu: Lớp liên kết dữ liệu DOCSIS xác định cấu trúc khung, MAC và bảo mật tuyến. Cấu trúc khung được sử dụng trong mạng HFC tương tự với Ethernet trong cả hai chiều lên và xuống. Đối với chiều xuống, các khung dữ liệu được gắn vào trong các gói MPEG-2 188 byte (ITU-T H.222.0) có mào đầu 4 byte theo sau là 184 byte tải trọng. Luồng xuống sử dụng chế độ truyền dẫn TDM đồng bộ với tất cả các modem. Trong chiều lên, TDMA hoặc S-CDMA được định nghĩa cho điều khiển truy nhập môi trường. Một gói hướng lên bao gồm mào đầu lớp vật lý, một từ mã độc nhất, mào đầu MAC, tải trọng gói và các byte FEC. Đặc điểm lớp MAC cũng bao gồm quá trình đăng ký modem, định cỡ, cấp phát băng thông, phát hiện xung đột và giải quyết tranh chấp, phát hiện lỗi và phục hồi dữ liệu. Một cơ chế bảo mật truy nhập trong DOCSIS định nghĩa một giao diện riêng tư gốc, giao diện hệ thống bảo mật và giao diện module bảo mật tháo được để đảm bảo bảo mật thông tin trong mạng HFC.

1.4 Công nghệ PLC Các đường cấp nguồn điện xoay chiều từ lâu đã được xem xét là môi trường liên lạc có thể làm việc được. Trong nhiều thập kỷ, các công ty điện lực đã sử dụng các đường dây điện cho báo hiệu và điều khiển, nhưng chúng được sử dụng chính cho quản lý nội bộ các lưới điện, liên lạc hộ gia đình và điều khiển chiếu sáng. Khi 11

các quy định giới hạn hai ngành công nghiệp viễn thông và điện lực được dỡ bỏ vào những năm 1990, thì truy nhập băng rộng trên các đường dây điện trở thành một khả năng. Vì các đường dây điện thâm nhập đến nhà dân nhiều hơn bất kỳ môi trường khác, nên nhiều nỗ lực đã được thực hiện để phát triển truy nhập tốc độ cao trên đường dây điện. Một số giải pháp đã được đề xuất và được kiểm thử trên thực tế. Mặc dù các công nghệ khác chiếm ưu thế trong dịch vụ truy nhập băng rộng, truy nhập qua đường dây điện (PLC) có thể vẫn chiếm một phần nhất định trong thị trường hiện tại. Ví dụ trong một số khu vực nông thôn, hạ tầng xây dựng để cung cấp DSL hoặc HFC có thể rất đắt tiền, trong khi PLC có thể dễ dàng cung cấp các dịch vụ băng rộng. Ở bất cứ đâu có điện ở đó có thể có dịch vụ băng rộng qua đường dây điện. Thêm nữa, có một tiềm năng lớn để kết nối mạng tất cả các thiệt bị điện dân dụng trong một hộ gia đình thông qua đường dây điện, như vậy cung cấp một giải pháp nhà thông minh (smarthome). Tuy nhiên hiện tại công nghệ PLC và tiềm năng thị trường của nó vẫn cần phải được phát triển thêm.

Hình 1-4 Mạng lưới phân phối điện

1.4.1 PLC Hình 1-4 cho thấy cấu hình của mạng lưới phân phối điện. Nguồn điện ba pha được tạo ra tại nhà máy điện đi vào phân trạm truyền dẫn mà ở đó nguồn điện ba pha được tạo ra bởi các máy phát điện được chuyển đổi thành điện áp cao thế (155 đến 765 kV) cho truyền dẫn đường dài trên lưới điện. Trong lưới điện truyền dẫn, nhiều trạm điện chuyển đổi điện cao thế xuống điện áp trung thế cho phân phối (nhỏ hơn 10 kV) và điện trung thế này được gửi qua một bus cái có thể tách nguồn 12

thành nhiều hướng. Dọc bus phân phối, có các dải biến áp cái điều khiển điện áp trên đường dây để tránh tăng hoặc sụt áp, và các nhánh để gửi điện xuống các phố. Tại mỗi tòa nhà hoặc nhà, có một tủ biến thế gắn với cột điện để giảm điện áp trung thế (điển hình 7,2 kV) xuống điện áp sử dụng (110 hoặc 240 V).

Hình 1-5 Truy nhập băng rộng qua đường cấp điện

Truy nhập băng rộng trên đường dây điện sử dụng các đường dây điện trung thế để phát dữ liệu đến và từ mỗi nhà như thể hiện ở hình 1-5. Điển hình, các bộ lặp được lắp đặt dọc đường dây điện cho truyền dữ liệu khoảng cách lớn, và một số thiết bị bypass cho phép các tín hiệu RF đi qua các bộ biến áp. Trong phần cuối của truyền dữ liệu, các tín hiệu có thể được truyền tới mỗi nhà bằng đường dây điện hoặc thay thế bằng sử dụng WiFi hoặc công nghệ không dây khác cho kết nối cuối cùng.

1.4.2 Modem BPL Một modem BPL cắm vào ổ điện thông thường trên tường, gửi và thu nhận dữ liệu thông qua đường dây điện. Trên đầu khác, modem BPL kết nối với các máy tính hoặc các thiết bị mạng khác bằng đường truyền cáp Ethernet. Trong một số trường hợp, một bộ định tuyến không dây có thể được tích hợp trong modem BPL. Các modem BPL phát ở dải trung đến cao tần từ một vài MHz đến hàng chục MHz. Tốc độ dữ liệu điển hình được hỗ trợ bởi modem BPL nằm trong dải từ hàng trăm kbit/s đến vài Mbit/s. Các chế độ điều chế khác nhau có thể được sử dụng cho PLC bao gồm ASK, FSK và các công nghệ DMT, DSSS (trải phổ chuỗi trực tiếp) và OFDM. Điều chế DMT, DSSS hoặc OFDM được ưu tiên lựa chọn trong các 13

modem BPL hiện nay vì nó khả năng chịu nhiễu và giao thoa mạnh mẽ của chúng. Nghiên cứu gần đây đã chứng minh tốc độ dữ liệu Gbit/s trên đường dây điện sử dụng sóng vi ba thông qua lan truyền sóng bề mặt. Công nghệ này có thể tránh được các vấn đề giao thoa thường gặp trong các đường dây điện.

1.4.3 Các thách thức trong BPL BPL là một công nghệ hứa hẹn, nhưng sự phát triển của nó tương đối chậm khi so sánh với DSL và HFC. Có một số thách thức kỹ thuật cần phải được khắc phục. Một đường dây điện không phải là một môi trường tốt cho truyền dữ liệu: Các biến áp khác nhau được sử dụng trong lưới điện không cho các tín hiệu RF đi qua, nhiều nguồn phản xạ tín hiệu (không phối hợp trở kháng, và thiếu kết cuối trở kháng phù hợp) trên đường dây điện cản trở truyền dữ liệu, và nhiễu từ nhiều nguồn (như các động cơ điện) làm ô nhiễm phổ truyền dẫn. Vì các đường dây điện bao gồm dây không xoắn và không bọc, khoảng cách dài của chúng làm chúng trở thành các ăngten lớn phát xạ các tín hiệu RF và giao thoa với các hệ thống liên lạc vô tuyến khác. Hơn nữa, một đường dây điện là một môi trường chia sẻ nên giới hạn băng thông được cấp phát cho mỗi người dùng và làm tăng các mối quan tâm về bảo mật cho liên lạc riêng tư. Tất cả những vấn đề này phải được xác định đầy đủ trước khi có thể được triển khai ở quy mô lớn. May mắn, nhiều tiến bộ đã được thực hiện thông qua nghiên cứu mạnh mẽ trong những năm gần đây. BPL đã sẵn sàng để trở thành công nghệ hứa hẹn thâm nhập vào thị trường có tính cạnh tranh cao hiện nay.

1.5 Công nghệ truy nhập vô tuyến Bắt đầu bằng liên lạc và truyền hình quảng bá RF, các công nghệ liên lạc không dây đã có tác động ảnh hưởng mạnh mẽ trên toàn thế giới từ đầu thế kỷ 20. Ngày nay, hệ thống phát thanh AM/FM và truyền hình quảng bá bao trùm mọi lục địa ngoại trừ Nam Cực; các mạng thông tin di động cung cấp liên lạc thoại tới hàng trăm triệu người dùng; hệ thống vệ tinh cung cấp các tuyến liên lạc và phát quảng bá video trên toàn thế giới; Bluetooth và LAN không dây hỗ trợ dịch vụ di động tới từng cá nhân. Các mạng không dây là ở mọi nơi. Sự phổ biến của các công nghệ không dây chủ yếu vì tính di động, khả năng mở rộng, chi phí thấp và dễ sử dụng của nó. Các công nghệ không dây sẽ tiếp tục vai trò quan trọng trong đời sống hàng ngày của chúng ta, và các mạng không dây thế hệ thứ 4 sẽ có thể cung cấp quadruple-play thông qua sự tích hợp liên thông của nhiều mạng không dây bao gồm các mạng không dây cá nhân, LAN không dây, mạng truy nhập không dây, 14

mạng diện rộng di động và mạng vệ tinh. Trong những năm gần đây, một số công nghệ vô tuyến đã được phát triển như là lựa chọn thay thế cho dịch vụ truy nhập hữu tuyến truyền thống (DSL, HFC và PON). Ngoại trừ thông tin quang vô tuyến, hầu hết các mạng truy nhập không dây sử dụng các tín hiệu RF để thiết lập các tuyến liên lạc giữa tổng đài và các thuê bao. Trong phần này chúng ta đề cập đến các công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng khác nhau và các đặc tính của chúng. Sự lựa chọn các công nghệ truy nhập vô tuyến phụ thuộc nhiều vào các ứng dụng, tốc độ dữ liệu yêu cầu, phổ tần sẵn có và khoảng cách truyền dẫn. Mặc dù các mạng truy nhập vô tuyến không thể cạnh tranh với các công nghệ truy nhập hữu tuyến về mặt tốc độ dữ liệu và độ tin cậy, nhưng chúng cho thấy tính linh hoạt và di động mà các công nghệ khác không thể cung cấp. Do đó, các mạng truy nhập vô tuyến bù đắp cho các công nghệ truy nhập hữu tuyến hiện tại và sẽ tiếp tục phát triển trong tương lai.

1.5.1 Các mạng lưới Wi-Fi Các mạng WiFi dựa trên các tiêu chuẩn IEEE 802.11 được phát triển trong những năm 1990 cho các mạng cục bộ không dây, ở đó một tập các điểm truy nhập không dây có chức năng như các trung tâm liên lạc (hub) cho các thiết bị khách (client) di động. Vì tính linh động và chi phí sử dụng thấp của nó, WiFi đã trở thành một lựa chọn kết nối mạng kinh tế và hiệu quả, trải rộng ở cả hai các hộ gia đình và khu vực công nghiệp, và là một đặc tính tiêu chuẩn của các máy tính xách tay, PDA và các thiết bị di động khác. Bây giờ WiFi sẵn có ở hàng ngàn điểm truy cập, hàng triệu cơ sở trường đại học và công ty, và hàng trăm triệu ngôi nhà. Mặc dù các mạng WiFi hiện tại bị giới hạn chủ yếu với liên lạc điểm – đa điểm giữa các điểm truy nhập và các thiết bị di động, nhiều điểm truy nhập có thể được liên kết để hình thành một mạng lưới không dây. Các điểm truy nhập không dây thiết lập các tuyến không dây giữa chúng để thực hiện khám phá cấu hình tự động và cấu hình định tuyến động. Các tuyến không dây giữa các điểm truy nhập hình thành một mạng xương sống không dây được xem như là mesh backhaul. Liên lạc không dây đa chặng trong mesh backhaul được sử dụng để chuyển tiếp lưu lượng tới và từ một điểm truy cập Internet hữu tuyến và mỗi điểm truy nhập có thể cung cấp truy nhập điểm – đa điểm tới người dùng được gọi là truy nhập lưới (mesh access). Do vậy, một mạng lưới WiFi có thể cung cấp các dịch vụ truy nhập băng rộng theo một kiểu tự tổ chức, tự cấu hình và tự phục hồi làm cho triển khai nhanh và bảo dưỡng dễ dàng.

15

Bảng 1.2 Các tiêu chuẩn IEEE 802.11

Qua nhiều năm, một bộ tiêu chuẩn đã được xác định bởi nhóm làm việc IEEE 802.11 bao gồm các tiêu chuẩn phổ biến nhất 802.11b/g. Bảng 1.2 so sánh các thuộc tính chính của các tiêu chuẩn này. Tiêu chuẩn 802.11 gốc (được phê duyệt năm 1997) hỗ trợ các tốc độ dữ liệu cỡ 1 hoặc 2 Mbit/s sử dụng FHSS (trải phổ nhảy tần chuỗi trực tiếp) với điều chế GFSK hoặc DSSS (trải phổ chuỗi trực tiếp) với điều chế DBPSK/DQPSK. Năm 1999 tiêu chuẩn 802.11b đã mở rộng tiêu chuẩn 802.11 gốc để hỗ trợ các tốc độ 5,5 và 11 Mbit/s bổ sung vào tốc độ 1 và 2 Mbit/s. Tiêu chuẩn 802.11b sử dụng DSSS 8 chip với chế độ điều chế CCK (khóa mã bù) tại băng tần 2,4 GHz. Cũng được phê duyệt năm 1999 bởi IEEE, tiêu chuẩn 802.11a vận hành tại tốc độ bít lên tới 55 Mbit/s sử dụng OFDM với điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM hoặc 64-QAM tại băng tần 5 GHz. Năm 2003, IEEE đã phê chuẩn một tiêu chuẩn mới hơn, IEEE 802.11g, cung cấp tốc độ dữ liệu 54 Mbit/s tại băng tần 2,4 GHz. Tiêu chuẩn 802.11g có thể tương thích ngược với 802.11b. Tiêu chuẩn mới IEEE 802.11n sẽ hỗ trợ tốc độ dữ liệu 248 Mbit/s vận hành ở băng tần 2,4 và 5 GHz. Thêm nữa, IEEE 802.11e cung cấp hỗ trợ QoS hiệu quả, và IEEE 802.11i hỗ trợ bảo mật tăng cường trong LAN không dây. Mặc dù các mạng WiFi dựa trên IEEE 802.11a/g/n có thể cung cấp tốc độ dữ liệu trên 50 Mbit/s, khoảng cách lớn nhất của chúng rất hạn chế (< 500 m). Đối với giải pháp chặng cuối, các mạng lưới WiFi với các tuyến đa chặng là cần thiết. Tuy nhiên, vì giao thoa RF, các tốc độ bít trong thông tin vô tuyến đa chặng có thể thấp hơn nhiều tốc độ dữ liệu cực đại của một tuyến đơn. Để hỗ trợ khoảng cách dài, IEEE 802.11y hiện đang được phát triển cho tốc độ 54 Mbit/s với khoảng cách cực đại cỡ 5 km (môi trường ngoài trời). Trong các mạng vô tuyến, sự giao thoa từ các bộ phát khác nhau có thể là một vấn đề nghiêm trọng giới hạn thông lượng của toàn mạng. Trong các mạng WiFi, điều khiển lớp MAC sử dụng truy nhập môi trường gọi là CSMA/CA (đa truy nhập cảm nhận sóng mang với tránh xung đột) để giảm ảnh hưởng giao thoa và cải thiện hiệu năng mạng. Tuy nhiên, vì tính ngẫu nhiên của thời gian đến của gói dữ 16

liệu và ban chất cạnh tranh của giao thức lớp MAC, thông lượng của mạng WiFi có thể thấp hơn nhiều dung lượng cực đại của nó.

Hình 1-6 Cấu hình mạng WiMAX.

1.5.2 Mạng truy nhập WiMAX Các mạng truy nhập WiMAX dựa trên các tiêu chuẩn IEEE 802.16 có thể cung cấp truy nhập Internet băng rộng với chi phí tương đối thấp. Một trạm gốc trong mạng WiMAX có thể hỗ trợ tốc độ dữ liệu lên tới 75 Mbit/s tới người dùng cá nhân hoặc doanh nghiệp. Tuy nhiên, vì nhiều người dùng được phục vụ bởi một trạm gốc, nên dữ liệu tải trọng đến người dùng đầu cuối chỉ đến 1 Mbit/s cho các thuê bao cá nhân và một vài Mbit/s cho các khách hàng doanh nghiệp. So về khoảng cách truyền dẫn cỡ vài trăm mét hỗ trợ bởi WiFi (802.11a/b/g/n), thì WiMAX hứa hẹn khoảng cách truy nhập vô tuyến lên tới 50 km. Do đó, WiMAX có thể cung cấp vùng phủ cả thành phố và các khả năng QoS, hỗ trợ các ứng dụng đa phương tiện từ dữ liệu không thời gian thực đên thoại và video thời gian thực. Hơn nữa, như một công nghệ vô tuyến dựa trên IP, WiMAX có thể được tích hợp thông suốt với các kiểu mạng vô tuyến và hữu tuyến khác. Bảng 1.3 Các tiêu chuẩn 802.16

Các đặc điểm nổi bật của một số tiêu chuẩn 802.16 phê chuẩn bởi IEEE được cho thấy trong bảng 1.3. Tiêu chuẩn IEEE 802.16 gốc định nghĩa kết nối backhaul điểm – điểm với tốc độ lên tới 134 Mbit/s sử dụng các tần số trong dải 10 đến 66 17

GHz, và IEEE 802.16d/e xác định truy nhập điểm – đa điểm tại các tốc độ lên tới 75 Mbit/s. Tiêu chuẩn mới nhất, IEEE 802.16m, hỗ trợ tốc độ dữ liệu lên tới 1 Gbit/s nhưng ở khoảng cách truyền dẫn ngắn hơn nhiều. Hình 1-6 cho thấy kiến trúc của một mạng WiMAX điển hình. Trong mạng WiMAX, các trạm gốc được kết nối với các mạng hữu tuyến (thường là các mạng quang vùng đô thị) sử dụng sợi quang, cáp đồng trục và các tuyến vi ba điểm điểm tốc độ cao. Về lý thuyết, một trạm gốc có thể bao phủ một bán kính 50 km, nhưng trong thực tế nó thường bị giới hạn chỉ 10 km. Trạm gốc phục vụ một số trạm thuê bao (sử dụng tại các vị trí của người dùng cá nhân hoặc doanh nghiệp) sử dụng các tuyến điểm – đa điểm. Một mạng Wi MAX có thể được thiết lập cấu hình với cấu hình sao hoặc lưới; mỗi loại đều có ưu và nhược điểm. Trái với cấu hình sao có thể hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao thì cấu hình lưới cung cấp khoảng cách dài hơn và triển khai nhanh hơn. Lớp MAC WiMAX cấp phát băng thông hướng lên và hướng xuống cho các thuê bao theo nhu cầu băng thông của họ. Không như các mạng WiFi, mạng WiMAX lựa chọn truy nhập được lập lịch sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia thời gian, nhưng khe thời gian được gán cho mỗi thuê bao có thể thay đổi chiều dài phụ thuộc vào băng thông được cấp phát cho thuê bao đó. Vì giải thuật lập lịch, mạng WiMAX hiệu quả băng tần cao hơn nhiều mạng WiFi.

1.5.3 Mạng di động Trong suốt thập kỷ trước, các mạng di động đã trải rộng khắp toàn thế giới, tiến triển từ thế hệ đầu tiên (1G) tới 2G và bây giờ dịch chuyển tới các hệ thống 3G và 4G. Chức năng cơ bản của các mạng di động là thực hiện liên lạc thoại cho những người dùng di động. Tuy nhiên, khi công nghiệp viễn thông dịch chuyển từ mạng tập trung cho thoại sang mạng tập trung cho dữ liệu, thì các mạng di động đã dần nâng cấp dung lượng của chúng cho các dịch vụ đa phương tiện như dữ liệu và các ứng dụng video. Như mạng di động thế hệ đầu tiên, AMPS (Hệ thống điện thoại di động tiên tiến) ở Bắc Mỹ và ETACS (Hệ thống liên lạc truy nhập hoàn toàn mở rộng) ở Châu Âu và Chấu Á là các hệ thống tương tự chuyển mạch kênh hỗ trợ chỉ liên lạc thoại. Các mạng thế hệ hai bắt đầu kỷ nguyên số. Các kỹ thuật mã hóa số như CDMA, GSM và TDMA thâm nhập vào các mạng di động, và dịch vụ nhắn tin đã trở thành một ứng dụng thông thường. Thêm nữa, GPRS (dịch vụ vô tuyến gói chung) bổ sung chuyển mạch gói vào mạng GSM cho truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao (lên tới 171,2 kbit/s) và EDGE (tốc độ dữ liệu tăng cường cho phát triển GSM) đã cải thiện tốc độ dữ liệu thêm nữa trong mạng GSM lên tới 473,6 kbit/s. Mạng di 18

động thế hệ ba dựa trên UMTS (hệ thống viễn thông di động toàn cầu) hoặc WCDMA (đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng) cung cấp dịch vụ dữ liệu có tốc độ trên 144 kbit/s. Mạng thế hệ thứ tư là một hệ thống di động dựa trên IP kết hợp nhiều công nghệ truy nhập vô tuyến như Bluetooth và LAN không dây thành một mạng tích hợp. Tốc độ dữ liệu hỗ trợ bởi mạng 4G có thể lên hơn 100 Mbit/s, như vậy cung cấp các dịch vụ truy nhập băng rộng khắp nơi một cách thực sự.

Hình 1-7 Kiến trúc mạng di động. MSC: Trung tâm chuyển mạch di động; HLR: Hệ thống đăng ký vị trí thuê bao; BSC: Bộ điều khiển trạm gốc.

Hình 1-7 minh họa cấu hình của một mạng di động điển hình bao gồm một bộ điều khiển trạm gốc, trung tâm chuyển mạch di động, bộ thu phát trạm gốc, và các thiết bị di động. Để sử dụng phổ vô tuyến một cách hiệu quả, khu vực bao phủ bởi mạng di động được phân chia thành các ô tế bào nhỏ (dạng tổ ong). Các tần số được tái sử dụng trong các ô không kề nhau. Mỗi ô có một trạm gốc phát và thu các tín hiệu từ các thiết bị di động trong ô đó. Một nhóm các trạm gốc được kết nối tới một bộ điều khiển trạm gốc. Một nhóm bộ điều khiển trạm gốc lần lượt được kết nối với một trung tâm chuyển mạch di động thông qua các tuyến vi ba hoặc sợi quang. Bộ điều khiển trạm gốc điều khiển liên lạc giữa một nhóm trạm gốc và một trung tâm chuyển mạch di động. Trung tâm chuyển mạch di động kết nối các mạng điện thoại chuyển mạch công cộng (PSTN) cái chuyển mạch các cuộc gọi tới các trạm di động hoặc điện thoại cố định khác. Để cung cấp dịch vụ dữ liệu, trung tâm chuyển mạch di động cũng được kết nối với Internet thông qua các bộ định tuyến biên. Các công nghệ không tương thích và tốc độ dữ liệu thấp trong các mạng di động hiện tại (2G hoặc 2,5G) cho thấy một vấn đề nghiêm trọng cho các ứng dụng đa phương tiện đang nổi lên. Do vậy, mạng 3G đã được phát triển để cung cấp dữ 19

liệu trên 1 Mbit/s với các giao diện vô tuyến tương thích giữa nhiều quốc gia. Tuy nhiên, các mối quan tâm kinh tế tạo ra mối nghi ngờ trong việc triển khai diện rộng mạng 3G. Trong khi các công nghệ 4G đã nổi lên như một tiếp cận triển vọng cho dịch vụ dữ liệu di động với tốc độ nhanh hơn 3G. Mặc dù tất cả các nỗ lực thực hiện phát triển mạng di động trọng tâm dữ liệu, thì dịch vụ đa phương tiện băng rộng trên mạng di động vẫn đi sau các mạng WiFi và WiMAX về mặt băng thông và dung lượng mạng.

1.5.4 Hệ thống vệ tinh Các vệ tinh đã thể hiện vai trò quan trọng trong việc cung cấp các tuyến liên lạc số trên toàn thế giới trong vài thập kỷ qua. Ban đầu được phát triển cho thông tin liên lạc liên lục địa khoảng cách lớn, các vệ tinh cũng đã được sử dụng cho phát quảng bá video. Vì sự phát triển của VSAT (đầu cuối khẩu độ rất nhỏ), nên phát video quảng bá trực tiếp đến nhà từ vệ tinh đã được sử dụng rộng rãi từ giữa thập kỉ 1990. Cho đến nay các tuyến vệ tinh đã đạt đến khoảng 100 triệu thuê bao và sử dụng trải rộng các vệ tinh cho truy nhập băng rộng đã trở thành thực tế. Các hệ thống vệ tinh có thể bao phủ một khu vực địa lí rộng và hỗ trợ nhiều ứng dụng băng rộng làm cho nó trở thành một giải pháp truy nhập băng rộng hấp dẫn. Thực tế, người dùng các hãng lớn đã sử dụng mạng vệ tinh để thiết lập mạng dữ liệu diện rộng để phục vụ các văn phòng của hãng bị phân tán về địa lí từ những năm 1980. Một kiểu mạng vệ tinh đặc biệt gọi là hệ thống định vị toàn cầu (GPS) đã tìm thấy các ứng dụng phổ biến cho cả hai tìm đường quân sự và dân sự. Các nhà vận hành vệ tinh cho phát quảng bá video đang dịch chuyển sang các ứng dụng đa phương tiện và truy nhập Internet băng rộng. Bay quanh trái đất, một vệ tinh phục vụ như một bộ lặp và thiết lập một tuyến không dây giữa bất kì hai người dùng trên trái đất. Một vệ tinh thu tín hiệu từ các trạm mặt đất ở hướng lên, khuếch đại tín hiệu này và sau đó phát chúng ở hướng xuống tại một tần số khác. Các vệ tinh thế hệ đầu tiên hoạt động ở băng tần C có tuyến xuống 4 GHz và tuyến lên 6 GHz. Tuy nhiên các ăngten đĩa khổ lớn phải được sử dụng ở các trạm mặt đất để cải thiện độ nhạy bộ thu và giảm độ rộng chùm vi ba. Khi nhu cầu băng thông tăng lên, băng tần Ku (12/14 GHz cho tuyến xuống/lên) và băng tần Ka (20/30 GHz cho tuyến xuống/lên) đã được cấp phát bởi Ủy ban truyền thông liên bang (FCC) của Mỹ cho thông tin vệ tinh. Sử dụng các tần số cao hơn có thể hỗ trợ một tốc độ dữ liệu cao hơn và cho phép sử dụng các ăngten khẩu độ nhỏ hơn. Gần đây, một băng tần vệ tinh tần số cao hơn, băng V có tuyến 20

xuống 40 GHz và tuyến lên 50 GHz đã được đồng ý bởi ITU-T. Với một vệ tinh băng V, băng thông trên 2GHz là sẵn có nhưng suy hao khí quyển và mưa trở nên nghiêm trọng hơn tại băng V so với băng tần thấp hơn. Các vệ tinh liên lạc hiện đại sử dụng quỹ đạo địa tĩnh GEO với chu kì quỹ đạo đúng bằng chu kì quay của Trái đất. Tại quỹ đạo đĩa tĩnh, một vệ tinh có thể bao phủ một vùng địa lí rộng lớn (khoảng 40% bề mặt của trái đất). Vì quỹ đạo địa tĩnh có một bán kính khoảng 42164 km, nên một độ trễ tín hiệu dài (khoảng 0,25 s cho một lần trễ chu trình) và suy hao tín hiệu lớn là khó tránh khỏi. Thay vào đó, quỹ đạo thấp LEO (cao độ 200 đến 2000 km) hoặc quỹ đạo trung MEO (cao độ 2000 đến 3000 km) có thể được sử dụng với trễ ngắn hơn và suy hao công suất thấp hơn. Tuy nhiên vùng phủ của vệ tinh LEO/MEO nhỏ hơn nhiều. Một trạm vệ tinh mặt đất bao gồm một modem vệ tinh, một bộ thu phát và một ăngten. Một ăngten phản xạ parabol thường được sử dụng để phát và thu tín hiệu vệ tinh. Một bộ thu phát bao gồm các bộ chuyển đổi tần số nhiễu thấp và các bộ khuếch đại công suất được chế tạo từ các mạch tích hợp vi ba nguyên khối. Một modem vệ tinh thực hiện mã hóa và điều chế dữ liệu. Vì các tuyến vệ tinh hầu hết đều bị giới hạn công suất nên các chế độ mã hóa và điều chế phức tạp thường được sử dụng để bù trừ băng thông cho hiệu năng tốt hơn. Một tập các tiêu chuẩn mở gọi là DVB (phát quảng bá video số) đã được phát triển cho truyền hình số, gồm DVB-S, DVB-S2 và DVB-SH cho phát quảng bá video vệ tinh. Tuy nhiên, các tiêu chuẩn DVB này xác định rằng chỉ các tuyến thông tin một chiều điểm – đa điểm được sử dụng cho phát quảng bá video. Với nhu cầu truy nhập băng rộng tăng mạnh, hai tiêu chuẩn đã được đề xuất để hỗ trợ các tuyến thông tin băng rộng hai chiều qua vệ tinh: DVB-RCS (hệ thống kênh trở về) và DOCSIS-S. Trong DVB-RCS, tuyến thuận (từ nhà cung cấp dịch vụ đến thuê bao) hoàn toàn tương thích với DVB-S. Nói cách khác, tuyến thuận có thể được sử dụng cho quảng bá video hoặc truy nhập Internet. Thêm nữa, một kênh trở về được xác định cho việc gửi dữ liệu người dùng tới nhà cung cấp dịch vụ, ở đó các gói như ATM được sử dụng cho truyền dữ liệu. DOCSIS-S là một sự thích ứng của tiêu chuẩn DOCSIS cho vệ tinh. Trong DOCSIS-S, QPSK hoặc SPSK kết hợp với mã hóa turbo được thực hiện trên các tuyến vệ tinh và đóng gói IP được sử dụng cho truyền dữ liệu làm băng tần sử dụng hiệu quả hơn và mào đầu ít hơn khoảng 10% so với DVB-RCS.

21

1.5.5 Hệ thống LMDS và MMDS Dịch vụ phân phối đa điểm cục bộ (LMDS) được phát triển bởi nhóm làm việc IEEE 802.16.1 là công nghệ truy nhập vô tuyến điểm – điểm chặng cuối. Hình 1-8 cho thấy kiến trúc mạng của hệ thống LMDS. Ở Mỹ, một băng tần 1,3 GHz giữa 28 và 31 GHz đã được cấp phát cho LMDS, trái lại ở Châu Âu LMDS có thể sử dụng các băng tần khác nhau từ 24 đến 43,5 GHz. LMDS có thể phát 34 đến 38 Mbit/s dữ liệu bao phủ phạm vi 3 đến 5 km. Do đó, nhiều ô tế bào thường được yêu cầu để phục vụ một khu vực đô thị. Trong mỗi ô, một trạm gốc với nhiều bộ thu phát được lắp trên mái của một nhà cao tầng hoặc trên cây cột cao phát dữ liệu theo kiểu điểm – đa điểm. Một tuyến trở về từ người dùng đến trạm gốc được thực hiện bởi một tuyến điểm – điểm. Mặc dù lớp vật lý khác với các mạng cáp hữu tuyến, nhưng LMDS đã lựa chọn các đặc tính DOCSIS.

Hình 1-8 Kiến trúc LMDS

Dịch vụ phân phối đa điểm đa kênh (MMDS) cũng được biết là dịch vụ truyền hình cáp không dây, đã được phát triển trong những năm 1970 như là lựa chọn thay thế cho truyền hình cáp. Nó có thể hỗ trợ 31 kênh tương tự (6 MHz mỗi kênh) ở băng tần 200 MHz từ 2,5 đến 2,7 GHz. Một hệ thống MMDS cũng có thể được sử dụng như một mạng truy nhập băng rộng mục đích chung. MMDS đã được sử dụng cho truy nhập không dây Internet tốc độ cao ở các khu vực nông thôn mà ở 22

đó các kiểu truy nhập băng rộng khác không sẵn có hoặc chi phí cao. Hình 1-9 cho thấy kiến trúc của một hệ thống MMDS. Trong một hệ thống MMDS, các tín hiệu video tương tự hoặc các tín hiệu dữ liệu QAM/OFDM phát quảng bá từ các tháp vi ba tại headend. Tại nhà thuê bao, các ăngten trên mái nhà thu tín hiệu quảng bá và chuyển đổi xuống các tần số kênh truyền hình cáp. Một thiết bị cổng kết nối được sử dụng để định tuyến các tín hiệu khác nhau tới các thiết bị mạng trong nhà. Về tổng thể, kiến trúc MMDS giống LMDS. Tương tự, hệ thống MMDS đã lựa chọn các đặc tính của DOCSIS. DOCSIS được biến đổi cho băng rộng không dây được xem như là DOCSIS+. Các hệ thống MMDS có thể cung cấp một tốc độ dữ liệu trên 10 Mbit/s cho một người dùng. Truyền hình MMDS có thể phát công suất tín hiệu lên tới 30 W và bao phủ một đường kính khoảng 50 km lớn hơn nhiều hệ thống LMDS.

Hình 1-9 Kiến trúc MMDS

Trong quá khứ, mặc dù DSL và cáp đồng trục đã chiếm ưu thế thị phần truy nhập băng rộng, LMDS và MMDS đã cho thấy một số mặt hứa hẹn như là giải pháp không dây. Tuy nhiên do cả hai lí do về kĩ thuật và kinh tế, các hệ thống LMDS và MMDS chưa bao giờ được lựa chọn rộng rãi cho truy nhập băng rộng. Khi mà các tiêu chuẩn WiMAX đang phát triển, thì LMDS và MMDS đã bị WiMAX vượt qua cả hai về chất lượng kĩ thuật và tiềm năng thị phần. Do đó LMDS và MMDS đã trở nên lỗi thời trong giai đoạn hiện nay. 23

1.6 Công nghệ truy nhập quang Lợi nhuận các công ty điện thoại từ POTS bị suy giảm như là kết quả của mất một số khách hàng POTS sang điện thoại di động và các công ty CATV. Để tăng lợi nhuận tiềm năng tương lai của họ, các công ty điện thoại tin rằng họ cần có thể cung cấp các dịch vụ triple-play tốt nhất gồm thoại, dữ liệu (đặc biệt truy nhập internet) và video. Cùng lúc đó, các công ty điện thoại đã xem xét ý tưởng sử dụng cùng kiểu mạng HFC của các nhà cung cấp CATV. Một nhược điểm đối với tiếp cận này là các mạng đồng trục điển hình có độ tin cậy kém cho dịch vụ thoại. Một nhược điểm chính khác là chúng cũng giống vậy cho video và dữ liệu nên không có ưu điểm gì hơn so với các công ty CATV.

Hình 1-10 Kiến trúc mạng truy nhập quang FTTx

Mô hình bây giờ được các công ty điện thoại ưu tiên là dựa trên tiếp cận truyền thống của họ hoặc tránh môi trường chia sẻ hoàn toàn hoặc giới hạn lượng chia sẻ. Đối với môi trường không chia sẻ, các dịch vụ triple-play sẽ được cung cấp thông qua kiến trúc sợi quang tới nút mạng (FTTN). Với FTTN, như được thấy trong hình 1-10, một kết nối sợi quang tốc độ cao tồn tại giữa CO và một nút đầu xa đủ gần với thuê bao để cho phép kết nối VDSL tới mỗi thuê bao được phục vụ bởi nút đó. Các biến thể của FTTN là Sợi quang tới vỉa hè/tủ cáp/tòa nhà (FTTC/FTTCab/FTTB). FTTN rất hấp dẫn khi nhiều thuê bao đủ gần với nhau để sử dụng được VDSL. Khi các thuê bao cách xa nhau hoặc đòi hỏi băng thông hướng 24

lên rất lớn, giải pháp sợi quang tới nhà thuê bao (FTTP/FTTH) trở nên hấp dẫn hơn. Cụ thể: a. FTTH FTTH (Fiber To The Home): Trong kiến trúc này cáp quang được kéo đến tận hộ gia đình, trong đó thiết bị đầu cuối mạng (ONT) được đặt tại thuê bao. ONT là điểm phân phát dịch vụ cho phép các nhà khai thác cung cấp các dịch vụ số liệu, thoại và hình ảnh trên cùng một sợi. FTTH có khả năng cung cấp băng tần lớn, tuy nhiên chi phí cho việc xây dựng mạng lại rất cao, cần phải xem xét cụ thể khi thiết kế. Nhìn chung, để tiến tới phương án FTTH cần có chiến lược phát triển mạng và kế hoạch triển khai cụ thể để có được các bước thực hiện và đầu tư hợp lí. Phương thức này đặc biệt phù hợp khi cần phải lắp đặt các mạng cáp mới hoặc thay thế mạng cáp cũ b. FTTB FTTB (Fiber To The Building): Trong kiến trúc này, sợi quang được kéo tới một thiết bị đầu cuối mạng thường gọi là ONU đặt trong tòa nhà. Các khách hàng có thể truy cập Internet theo các kết nối đến ONU thông qua LAN nhờ các cáp UTP-5. Chiều dài của phần cáp đồng thường không lớn hơn 10m Để tận dụng hiệu quả các nguồn tài nguyên cũ thì phương thức FTTB+LAN được xem là tiết kiệm tối đa chi phí xây dựng mạng. Hơn nữa khoảng cách ngắn giữa ONU và thiết bị đầu cuối thuê bao cũng cho phép phát triển từng bước từ FTTB+LAN sang FTTH. Mô hình FTTB phù hợp với các tòa nhà có mật độ lớn, các khách hàng là doanh nghiệp vì họ có nhu cầu đặc biệt lớn về băng tần, đặc biệt các tòa nhà này đều có LAN xây dựng trên mạng cáp UTP-5. c. FTTC FTTC (Fiber To The Curb): Cáp quang đến một khu vực dân cư. Sợ quang đươc kéo tới một ONU đặt ở vỉa hè. Một hoặc nhiều tòa nhà kết nối ONU bằng cáp đồng, khoảng cách từ ONU tới thuê bao khoảng 100 m. Phương thức FTTC được khuyến nghị sử dụng cho các vùng dân cư có mật độ dân tương đối cao, đặc biệt là ở những nơi có thể sử dụng lại mạng cáp đồng, hoặc những nơi khó lắp đặt cáp quang. Đây cũng là một phương thức truy nhập phù

25

hợp cho các khách hàng có nhu cầu đối với các dịch vụ VoIP. Truy nhập Internet tốc độ cao. d. FTTN FTTN (Fiber To The Node): Phương thức này cũng giống như FTTC, nhưng khoảng cách từ ONU tới khách hàng rất lớn, có thể đến vài km. Như đã đề cập, theo xu hướng kiến trúc FTTH dần trở nên hấp dẫn và phổ biến hơn. Khi xây dựng môt mạng FTTH, việc đánh giá các kiến trúc FTTH có thể phù hợp để chấp nhận là rất quan trọng. Có hai kiến trúc chính hiện tại đang được quan tâm cụ thể là kiến trúc điểm - điểm (P2P) và điểm - đa điểm (P2MP), các kiến trúc P2M được phân loại chi tiết hơn là mạng quang tích cực (AON) và mạng quang thụ động (PON). r

-

Trong kiến trúc này, như tên đã đặt, sợi quang riêng lẻ chạy từ đầu cuối tuyến quang OLT tới mỗi đầu cuối mạng quang ONU (tại thuê bao). Nói cách khác, sơi quang riêng lẻ chạy cho tới mỗi nhà (bởi vậy chũng thường được gọi là sợi quang chạy về nhà). Hình 1-11 là một minh họa của kiến trúc P2P trong đó một đôi cáp quang riêng lẻ được đặt OLT đến ONU.

Hình 1-11 Kiến trúc điểm – điểm

Kiến trúc P2P có những ưu điểm của nó cũng như những nhược điểm chủyếu nhất định. Một ưu điểm là có cơ hội để cung cấp dung lượng tối đa và thỏa mãn các yêu cầu của khác hàng một cách đầy đủ. Đôi dây sợi quang riêng lẻ cũng có ý nghĩa tính mềm dẻo cao hơn trong việc cung cấp dịch vụ tới các khác hàng. Tuy nhiên, có 26

một vài các nhược điểm chính với kiến trúc P2P. Tại OLT, nhu cầu đối với thiết bị hub sẽ tỷ lệ với số ONU ( nghĩa là số lượng thuê bao hoặc số lượng nhà). Bên cạnh chi phí thu được, các thiết bị này cũng có có thể gây ra các vấn đề về tiêu thụ công suất và tốn không gian. Giải pháp P2P cũng yêu cầu nhiều đôi cáp quang và cùng với tất cả các cài đặt và bảo dưỡng chúng. q AON được đặc trưng hóa bởi một sợi quang đơn mang toàn bộ lưu lượng tới node điều khiển ở xa (R) gần với các đầu cuối người dùng từ điều khiển trung tâm. Nó cũng thường được ám chỉ như là mạng Ethernet tích cực do thiết bị cần để cung cấp TV, thoại và Internet được kết nối qua chuẩn Ethernet chung.

Hình 1-12 Mạng quang tích cực (AON)

Node điều khiển ở xa chứa một thành phần tích cực xử lý các khung dữ liệu được gửi đến từ đầu cuối tuyến quang trung tâm đến node điều khiển ở xa, và chuyển tiếp chỉ các gói đến các ONU tương ứng. Từ nút điều khiển từ xa tới các ONU, các sợi quang riêng lẻ được chạy tới mỗi tủ thiết bị, nhà, tòa nhà,... dựa trên loại giải pháp được cài đặt. Hình 1-12 thể hiện các thành phần và các chức năng chính của kiến trúc mạng quang tích cực So với kiến trúc P2P, ưu điểm chính của kiến trúc AON là ở chỗ nó chỉ sử dụng một cáp quang chia sẻ để bảo phủ một vùng nhất định bởi vậy giảm được chi phí cáp. Nó cũng chiếm không gian ít hơn mô hình P2P. q Trong kiến trúc này, nút tích cực trong AON được thay thế bởi một bộ chia/bộ kết hợp công suất quang thụ động (chỉ được chú thích như bộ chia từ đây 27

trở về sau); xem hình 1-13. Bộ chia được xem là phần tử thụ động do nó không cần cấp nguồn và chỉ quảng bá tất cả các dữ liệu mà nó nhận. Giống như trong AON, có một sợi quang đơn được chia sẻ từ OLT tới bộ chia. Các chức năng quang trọng nhất mà OLT thực hiện là lập biểu đồ lưu lượng, điều khiển đệm và cấp phát băng thông. Do nhiệm vụ xử lý dữ liệu thêm vào nên các ONU trong mô hình PON thường kinh tế hơn trong AON.

Hình 1-13 Mạng quang thụ đông (PON)

Ngày nay, có hai loại chính trong các công nghệ mạng quang thụ động đã chuẩn hóa là các mạng quang thụ động Ethernet (EPONs) và các mạng quang thu động dung lượng Gigabit (GPONs). EPON được chuẩn hóa bởi IEEE và phân loại các mạng dựa trên kỹ thuật Ethernet. Một EPON thì kết hợp với thiết bị Ethernet giá thấp và cơ sở hạ tầng sợi quang, và truyền trực tiếp các khung dữ liệu Ethernet. Nó có thể cung cấp dung lượng 1Gbps theo cả hai hướng lên và xuống, và bao phủ một khoảng cách lên tới 20 km và hỗ trợ khoảng cách chênh lệch tối đa là 20 km. Các chức năng này có thể giúp EPONs truyền lưu lượng dữ liệu, thoại và video một cách hiệu quả trong một mạng tích hợp. Ngược lại, GPON phát triển từ kĩ thuật ATM PON (APON/BPON) và được chuẩn hóa bởi ITU-T dưới sự làm việc của nhóm mạng truy nhập dịch vụ đầy đủ (FSAN). So với EPONs thì một GPON có thể hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao hơn lên tới 2.488Gbps cho cả luồng upstream và downstream. Nó có thể bao phủ một khoảng cách dài hơn lên tới 60 km và hỗ trợ một khoảng cách chênh lệch 20 km. Luồng hướng lên từ các thuê bao khác nhau đến OLT nhất thiết phải được cấp phát bởi một số kỹ thuật đa truy nhập để tránh va chạm giũa các luồng khác nhau. Tất cả các tiêu chuẩn PON đã đề cập ở trên sử dụng các kĩ thuật ghép kênh 28

phân chia theo thời gian (TDM) nghĩa là các gói hướng lên được đan xen trong miền thời gian, qua sợi quang chia xẻ. Ngoài TDM ra, còn có ba loại kỹ thuật ghép kênh chủ yếu khác cho các mạng truy nhập sợi quang là ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM), ghép kênh theo sóng mang con (SCM) và ghép kênh phân chia theo mã quang (OCDM). Trong WDM-PONs, mỗi OUN sử dụng một kênh bước sóng khác nhau để gửi các gói dữ liệu của nó đến OLT. Kênh cùng bước sóng có thể sử dụng thông tin cả luồng hướng lên và hướng xuống. Trong một mạng PON dựa trên SCM, mỗi ONU điều chế luồng gói của nó trên một tần số sóng mang điện khác nhau rồi sau đó điều chế cường độ ánh sáng của diode laser của mỗi ONU. Điều này nghĩa là các luồng gói được đặt trong các dải tần số khác nhau. Trong mang PON dựa trên OCDM, mỗi ONU sử dụng một chuỗi tín hiệu các xung quang khác nhau. Chuỗi tín hiệu này được điều chế bật- tắt với dữ liệu sẽ phát. Hiện nay, TDM là phương thức ghép kênh phổ biến nhát cho việc xây dựng một cơ sở hạ tầng PON. Điều này kết hợp với thực thế rằng công nghệ TDM có một độ phức tạp kỹ thuật vừa phải, chi phí cài đặt ít hơn các kĩ thuật khác. Mặt khác, trong khi ở thời điểm hiện tại thỏa các mạng PON dựa trên TDM xuất hiện để thỏa mãn nhu cầu băng thông hiện tại thì các đề án và các xu hướng độ rộng băng tương lại trong miền băng rông chỉ ra rằng các kỹ thuật ghép kênh khác sẽ có thể có lợi ích hơn cho một mạng truy nhập sợi quang thỏa mãn tốt hơn các nhu cầu trong tương lai. So sánh m ng PON và AON Có rất nhiều yếu tố để so sánh ưu điểm và nhược điểm của hai kỹ thuật PON và AON. Tuy nhiên, ở đây chúng ta sẽ xem xét một số thông số quan trọng như băng thông, khả năng điều khiển luồng, khoảng cách… là những thông số về kỹ thuật. Ngoài ra, có hai chỉ tiêu rất quan trọng khi người ta đánh giá mức độ khả thi của một dự án chính là vốn đầu tư cho thiết bị và kinh phí cho khai thác, vận hành và bão trì hệ thống. Về băng thông và lưu lượng Ngày càng có nhiều dịch vụ viễn thông y êu cầu tốc độ cao như IPTV, VOD, Conference meeting… Do đó băng thông là một vấn đề vô cùng quan trọng. Các chuẩn của mạng PON được nghiên cứu rộng rãi cho phép băng thông cấp phát đến các port tại OLT là giống nhau. Và để điều chỉnh băng thông và lưu lượng của một

29

thuê bao thì rất khó vì nó phụ thuộc vào cấu trúc của mạng PON. Điều này có thể được cải tiến nếu cấu trúc mạng PON có cấu hình dự phòng n +1. Mạng AON: với mỗi một thuê bao sử dụng riêng một đường cáp quang thì băng thông có thể nằm trong khoảng từ 100Mbps đến 1Gbps (đối với hộ gia đình hoặc một công ty). Việc điều chỉnh băng thông khá dễ dàng. Khi một node truy cập được cấu tạo từ các module thì người ta có thể nâng cấp được băng thông cho một thuê bao nào đó bằng cách can thiệp vào phần cứng. Bảng 1.4 So sánh AON và PON về giá thành thiết bị

AON

PON

Giá Thành

Giá thành thiết bị đầu cuối Thấp

Cao

Cấu trúc mạng không giống những Bởi vì các chuẩn Ethernet mạng truyền thống nên phải xây dựng AON ưu thế đã được sử dụng nên thiết các chuẩn mới nên thiết bị đầu cuối hơn bị đầu cuối tại phía nguời cũng khó khăn hơn trong việc nghiên sử dụng tương đối rẻ. cứu chế tạo. Giá thành các thành phần cấu thành nên mạng (các thiết bị chủ động) Cao Một thuê bao cần có một

Thấp

port laser tại node truy cập Bởi vì một port trên OLT có thể cung PON chiếm ưu nên một đường quang được cấp cho nhiều thuê bao nên khi số thế chia ra làm nhiều kết nối lượng thuê bao tăng lên người ta có thì công suất của các thiết thể sử dụng các splitter bị cũng phải tăng lên. Giá thành các thành phần mạng (các thiết bị thụ động và cấu trúc hạ tầng) Cao

Thấp PON ưu thế Số lượng các giao diện Vì mỗi một nguồn laser trên OLT sẽ hơn quang trên các node truy chia sẻ cho nhiều thuê bao. cập khá lớn.

30

Kinh phí cho khai thác vận hành và bảo trì hệ thống: Bảng 1.5 So sánh AON và PON về chi phí vận hành và bảo trì hệ thống.

AON

PON

Đánh giá

Nguồn điện tiêu thụ Lớn

Nhỏ

PON tốt hơn

Chi phí bảo dưỡng Mỗi một node truy cập yêu Trong một cabinet đặt ở ngoài PON tốt hơn vì có cầu một nguồn điện riêng. trời, splitter gần như không cần ít thiết bị thụ động Do đó khó bảo dưỡng và bảo dưỡng và cũng không cần hơn trong cấu hình chi phí bảo dưỡng cao.

nguồn ngoài để cung cấp cho thiết mạng. bị này

Giá thành các thành phần mạng (các thiết bị thụ động và cấu trúc hạ tầng) Cao

Thấp

PON ưu thế hơn

Bởi vì số lượng các giao Vì mỗi một nguồn laser trên OLT diện quang trên các node sẽ chia sẻ cho nhiều thuê bao truy cập là khá lớn.

Tóm lại, mỗi cấu hình mạng đều có những ưu điểm riêng của nó. Tùy vào khả năng tài chính của từng nhà cung cấp dịch vụ cũng như các điều kiện khác mà lựa chọn mạng PON hay là AON. Tuy nhiên với những ưu điểm đặc biệt, mạng PON đang dần chiếm lĩnh thị trường băng rộng. Vì băng thông cực lớn và suy hao thấp nên các sợi quang đã được sử dụng rộng rãi cho các mạng diện rộng và các mạng vùng đô thị. Ở một phạm vi nào đó, các sợi đa mode cũng đã được sử dụng trong các tòa nhà văn phòng cho mạng cục bộ. Mặc dù các sợi quang là môi trường lí tưởng cho các hệ thống và mạng thông tin tốc độ cao, nhưng chi phí sử dụng được xem là yếu tố hạn chế trong khu vực truy nhập và cáp đồng vẫn chiếm ưu thế trong thị phần hiện tại. Tuy nhiên, các ứng dụng đa phương tiện đang nổi lên đã tạo ra nhu cầu băng thông lớn mà các công nghệ cáp đồng đã đạt đến giới hạn băng thông của chúng. Trong khi đó, các thành phần quang tử chi phí thấp và kiến trúc mạng quang thụ động đã làm sợi quang trở thành giải pháp hấp dẫn. Trong vài năm trước, các công nghệ và kiến trúc PON khác nhau đã được nghiên cứu bởi công nghiệp viễn thông và một vài tiêu chuẩn 31

PON đã được phê chuẩn bởi ITU-T và IEEE. FTTx trở thành một công nghệ trưởng thành trong cuộc đua cạnh tranh trực tiếp với cáp đồng. Sự thật, việc sử dụng ở quy mô lớn đã bắt đầu ở Châu Á, Bắc Mỹ và Châu Âu và hàng triệu thuê bao đang hưởng thụ những lợi ích của công nghệ PON. Mạng truy nhập quang thụ động PON như tên gọi của nó, không có thành phần tích cực giữa tổng đài và các nhà thuê bao. Các thiết bị tích cực chỉ tồn tại ở tổng đài và tại nhà thuê bao. Từ tổng đài, một sợi quang đơn mode tiêu chuẩn (sợi cáp gốc) chạy tới một bộ tách công suất quang thụ động 1:N gần các nhà thuê bao. Các cổng đầu ra của bộ tách thụ động kết nối tới các thuê bao qua từng sợi quang đơn mode (các sợi phân phối). Khoảng cách truyền dẫn trong một mạng quang thụ động bị giới hạn trong phạm vi 20 km như được xác định trong các tiêu chuẩn hiện tại. Sợi quang và các thành phần thụ động giữa tổng đài và nhà thuê bao thường được gọi mạng phân phối quang. Số lượng người dùng được hỗ trợ bởi một PON có thể từ 2 đến 128 phụ thuộc vào quỹ công suất, nhưng điển hình là 16, 32 hoặc 64.

1.7 Tổng kết chương Chương 1 đã cung cấp những vấn đề tổng quan về các công nghệ mạng truy nhập băng rộng hiện nay. Có nhiều công nghệ cạnh tranh để cung cấp các dịch vụ băng rộng bao gồm DSL, HFC, PLC và truy nhâp vô tuyến không dây băng rộng. Mỗi công nghệ đều có những ưu điểm và những hạn chế của nó. Nhờ những ưu điểm về băng thông và giá thành các linh kiện quang giảm xuống giúp cho mạng truy nhập quang sử dụng PON trở nên hấp dẫn và phát triển nhanh chóng.

Câu hỏi/bài tập chương 1 1-1/ Trình bày và phân tích những giới hạn của công nghệ truy nhập DSL ? 1-2/ Trong hệ thống DSL, truyền dẫn song công được thực hiện bằng cách nào ? 1-3/ Việc sử dụng công nghệ truy nhập PLC có những ưu nhược điểm gì ? 1-4/ Trình bày và phân tích những giới hạn của công nghệ truy nhập HFC ? 1-5/ Phân tích những ưu nhược điểm công nghệ truy nhập quang sợi ?

32

Chương 2 Công nghệ HFC

Mạng HFC ban đầu chỉ sử dụng cho việc phân phối tín hiệu truyền hình cáp. Việc triển khai cung cấp các dịch vụ băng rộng trên mạng HFC đòi hói cần có một số thay đổi trong đó có giao thức thực hiện liên lạc hai chiều. Chương này giới thiệu về công nghệ HFC, đặc biệt các đặc điểm của giao thức DOCSIS một giao thức để đảm bảo cung cấp dịch vụ dữ liệu băng rộng hai chiều trên mạng HFC.

2.1 Kiến trúc mạng HFC Các công ty truyền hình cáp thường được gọi là các nhà vận hành đa hệ thống/dịch vụ (MSO) chuyên phân phối các tín hiệu video tới các thuê bao. Để cạnh tranh với các nhà vận hành mạng điện thoại để cung cấp dịch vụ triple-play, các MSO đã nâng cấp mạng của họ để hỗ trợ dịch vụ thoại và dữ liệu băng rộng. Một phần tử then chốt của nâng cấp này là sử dụng một mạng dữ liệu lõi dựa trên IP. Mạng này cho phép truy nhập dữ liệu tốc độ cao cái trở thành dịch vụ hấp dẫn cho các MSO. Các ứng dụng khách hàng sử dụng các mạng IP tốc độ cao bao gồm trò chơi trực tuyến, thu và chia sẻ âm nhạc, nhắn tin, và phân phối video. Dịch vụ phân phối video theo yêu cầu IPTV là một dịch vụ đi tiên phong bởi MSO. Thoại qua IP (VoIP) cũng đã trở thành một ứng dụng MSO quan trọng. Đặc điểm giao diện dịch vụ dữ liệu trên cáp DOCSIS là trung tâm của việc cung cấp các dịch vụ dựa trên IP qua mạng truy nhập tới các thuê bao. Lúc ban đầu, mạng truyền hình ăngten cộng đồng (CATV) hay mạng truyền hình cáp đã được thiết kế cho việc phân phối dịch vụ quảng bá. Mạng đã được xây dựng với một tổng đài headend cung cấp các tín hiệu TV quảng bá trên mạng phân phối cáp đồng trục tới từng thuê bao. Cáp đồng trục đã được sử dụng theo kiểu cấu hình bus với các kết nối nhánh đồng trục tới từng thuê bao. Cáp đồng trục đã có tiềm năng cung cấp băng thông cao hơn nhiều các đôi dây xoắn của các công ty điện thoại. Các mạng cáp thời kì đầu tuy nhiên đã được xây dựng cho truyền dẫn đơn hướng (hướng xuống) của các tín hiệu truyền hình tương tự được ghép kênh theo tần số. Khi truy nhập Internet tốc độ cao trở thành một dịch vụ quan trọng, các công ty vận hành cáp đã bắt đầu nâng cấp mạng của họ để hỗ trợ kết nối dữ liệu số

33

hai chiều. Vì các công ty truyền hình cáp bắt đầu hỗ trợ các dịch vụ thoại và dữ liệu trên mạng của họ nên họ được gọi là các MSO.

Hình 2-1 Kiến trúc mạng HFC

Khả năng cung cấp dịch vụ số hai chiều đã yêu cầu một sự nâng cấp mạnh mạng cáp. Mạng cáp lúc đầu đã sử dụng các bộ khuếch đại để nâng mức tín hiệu tương tự hướng xuống, và truyền dẫn dữ liệu hai chiều đã đòi hỏi trang bị thêm các nút khuếch đại này để bao gồm các bộ lặp số hai chiều để hỗ trợ truyền dẫn dữ liệu hướng lên. Nhu cầu băng thông dữ liệu ngày càng tăng lên và chi phí truyền dẫn quang sợi giảm xuống đã thúc đẩy mạng sử dụng sợi quang để kết nối từ headend tới các nút quang đặt gần hơn các thuê bao, với cáp đồng trục tiếp tục sử dụng cho kết nối tới các thuê bao. Các mạng này được gọi là các mạng lai ghép sợi – cáp đồng trục (HFC), cho phép băng thông dịch vụ dữ liệu tăng lên bằng việc giảm số lượng thuê bao chia sẻ mỗi phần cáp gốc đồng trục. Trong khi lên tới 2000 thuê bao có thể được kết nối tới một điểm nhánh đồng trục, thì với HFC chỉ có 500 hoặc ít hơn số thuê bao kết nối với cáp đồng trục từ một nút quang. Để hỗ trợ tốc độ dữ liệu trên mỗi thuê bao tăng lên thì các công ty truyền hình cáp đang dịch chuyển tới 64 thuê bao trên mỗi cáp đồng trục. Các MSO cũng đã bắt đầu sử dụng các kỹ thuật khác để tăng dung lượng dữ liệu của mạng HFC như đòi lại các kênh tương tự thêm vào và sử dụng phương pháp truyền multicast chuyển mạch thay cho quảng bá. Khi các MSO triển khai sử dụng rộng rãi kết nối dữ liệu, thoại qua IP (VoIP) đã cung cấp một cơ chế tự nhiên để cho phép họ cung cấp các dịch vụ thoại. Vì cáp đồng 34

trục gốc là môi trường được chia sẻ bởi tất cả các thuê bao đấu nối vào cáp đó nên một giao thức MAC được yêu cầu để cho phép các thuê bao truyền dẫn theo hướng lên. Các giao thức để cho các thuê bao có được truyền dữ liệu hai chiều trên mạng cáp gồm cả MAC đã được phát triển bởi CableLabs. Các giao thức lõi được định nghĩa trong DOCSIS. Mạng HFC được sử dụng bởi các MSO được cho thấy trong hình 2-1, mặc dù có sự khác nhau đáng kể về chi tiết triển khai thực tế của các MSO khác nhau. Các trạm hub điển hình là các vị trí của các headend và các kết nối tới các nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP). Các trạm hub thứ cấp thường bao gồm thiết bị chuyển mạch thoại (tổng đài), các máy chủ cho video cached cục bộ, các giao diện dịch vụ dữ liệu tương tác, và thiết bị hệ thống kết cuối modem cáp CMTS. Mạng lõi liên kết các nút hub thường được xây dựng bởi các vòng (ring) sợi quang và các nút nối chéo. Tương tự với các mạng điện thoại, các mạng vòng cung cấp cơ chế định tuyến phân tập để cho phép bảo vệ tự động khi có sự cố mạng và nút mạng. Các nút sợi quang (Fiber Node - FN) kéo dài từ các trạm hub thứ cấp như các nút nhánh biên theo kiểu cấu hình sao. Chức năng cơ bản của FN là để chuyển đổi các tín hiệu từ miền quang của sợi quang sang miền điện của cáp mạng phân phối đồng trục kết nối với modem cáp (CM) tại mỗi nhà người dùng. FN điển hình được thiết kế dạng hộp kín cho việc lắp đặt trên cột hoặc ngoài trời với việc cấp nguồn mạng trực tiếp. FN cũng cung cấp nguồn điện AC (50 hoặc 60 Hz) trên cáp đồng trục để sử dụng cấp nguồn cho các bộ khuếch đại tín hiệu cho truyền dẫn trên khoảng cách cáp đồng trục dài. Thường các công ty vận hành cáp sử dụng không quá 5 bộ khuếch đại trên một đường chạy cáp đồng trục. Khoảng cách giữa các bộ khuếch đại có thể biến đổi phụ thuộc vào các yếu tố bao gồm công nghệ bộ khuếch đại, kiểu cáp đồng trục, số lượng nhánh và tần số cực đại của tín hiệu RF. Tuy nhiên, một khoảng cách 0,53 km giữa các bộ khuếch đại là điển hình với công nghệ hiện tại. Yêu cầu nguồn điện và bảo dưỡng của các bộ khuếch đại và chi phí công nghệ quang sợi ngày càng giảm xuống dẫn đến các MSO lắp đặt sợi quang gần nhà thuê bao hơn. Kiến trúc “fiber deep” đặt FN gần sát với các thuê bao để chỉ ít hoặc không cần bộ khuếch đại sử dụng trên đoạn cáp đồng trục. Trong các ứng dụng này, các thuê bao thường trong phạm vi 1,5 km của FN thì yêu cầu 3 bộ khuếch đại hoặc trong phạm vi 0,2 km thì không cần bộ khuếch đại trên cáp đồng trục.

35

Chú ý rằng trong khi DOCSIS hỗ trợ khoảng cách cực đại trên 150 km giữa CMTS đặt tại một trạm hub phân phối hoặc headend và một CM tại nhà khách hàng, thì tổng khoảng cách cỡ hơn 20 km là điển hình. Headend điều biến tín hiệu sóng mang tần số vô tuyến (RF) bằng tín hiệu video kết hợp với kênh RF đó. Các tín hiệu RF này sau đó được kết hợp thông qua ghép kênh theo tần số (FDM). Ở khu vực Bắc Mỹ, mỗi kênh RF chiếm băng tần 6 MHz, trong khi băng tần 8 MHz thường được sử dụng ở Châu Âu. Dải tần tổng cộng lên tới 750 và 860 MHz đã được quy định từ giữa thập kỉ 1990 với tần số cực đại là 1128 MHz được giới thiệu năm 2008. Một hệ thống 860 MHz cung cấp lên tới 120 kênh với khoảng cách kênh 6 MHz hoặc 100 kênh với khoảng cách kênh 8 MHz và một hệ thống 1128 MHz cung cấp 179 kênh với khoảng cách 6 MHz. Thông tin điều khiển bao gồm thông tin về chương trình và nhận dạng kênh có thể được gửi cùng băng với mỗi kênh hoặc ngoài băng trên một kênh RF tách biệt. Tín hiệu FDM kết hợp điều biến một laser tuyến tính cho truyền dẫn trên mạng quang. Trong khi các tín hiệu video ban đầu là các tín hiệu tương tự, thì bây giờ nó thường hỗ trợ truyền dẫn các tín hiệu video mã hóa số. Các luồng video số này sử dụng một giao thức nén như MPEG2 hoặc MPEG4 và được điều chế lên kênh RF bằng điều chế biên độ cầu phương (QAM). Kỹ thuật nén MPEG cho phép mang lên tới 5 kênh video số độ nét tiêu chuẩn (SD) hoặc 2 kênh video độ nét cao (HD) trong một kênh đơn 6 MHz. Chú ý rằng các kênh video bổ sung có thể được mang ở mức chất lượng thấp hơn vì mức nén MPEG nhiều hơn. Các mạng phân phối nhà thuê bao (PDN) mang thông tin dữ liệu và video trong phạm vi nhà của thuê bao. PDN có thể sử dụng Ethernet, LAN không dây, cáp đồng trục, đường dây điện thoại hoặc đường dây điện. Các thiết bị gọi là các bộ thích ứng điện thoại được sử dụng để chuyển đổi các tín hiệu điện thoại thành một định dạng như VoIP để có thể được mang trên mạng cáp. Các thiết bị như vậy cũng được xem như là các cổng kết nối thoại. Một thiết bị có khả năng chuyển đổi nhiều kiểu thông tin cho truyền tải qua mạng cáp được gọi là một bộ thích ứng đầu cuối đa phương tiện (MTA) hoặc thiết bị truy nhập tích hợp (IAD). CMTS liên lạc với MTA nhờ sử dụng một phần kênh dữ liệu.

2.2 Giao thức DOCSIS DOCSIS xác định các giao thức lớp vật lý và lớp MAC, và một khung quản lý và điều khoản liên quan. Tại lớp vật lý, DOCSIS xác định cách dữ liệu hướng lên và hướng xuống được mang trên các kênh RF bao gồm cả định dạng điều chế và mã 36

đường. Vì cáp đồng trục là một môi trường chia sẻ nên DOCSIS xác định giao thức MAC bằng cách mà các thuê bao có thể truy nhập môi trường theo hướng lên. Tại mức dịch vụ, DOCSIS định nghĩa các kiểu luồng dịch vụ khác nhau dựa trên hiệu năng thỏa thuận mức dịch vụ (SLA) yêu cầu cái phải được đáp ứng. DOCSIS cũng xác định giao thức mật mã hạn chế các thuê bao truy nhập dữ liệu của các thuê bao khác trên môi trường chia sẻ. Các giao thức xác thực modem cáp DOCSIS cho phép thuê bao thu được các dịch vụ mà họ đăng ký chứ không phải dịch vụ họ không đăng ký. Giao thức xác thực cũng cho phép một thuê bao chuyển modem cáp tới các vị trí khác nhau trong mạng MSO và vẫn thu được dịch vụ.

2.2.1 Các phần tử mạng DOCSIS Các phần tử mạng DOCSIS được cho thấy trong hình 2-2. CMTS là hệ thống chủ của giao thức DOCSIS và modem cáp là thiết bị đầu cuối khách hàng kết nối thiết bị của thuê bao với mạng DOCSIS. CMTS và CM được kết nối với nhau qua mạng HFC. Hai phần tử mạng khác trong HFC là nút sợi quang (FN) và bộ kết hợp RF, chức năng của chúng gồm các chuyển đổi quang – điện (O/E) và điện – quang (E/O). Giá bộ kết hợp RF kết nối với CMTS qua cáp đồng trục trong tổng đài hub. Các chức năng của mỗi hệ thống này được mô tả trong phần còn lại của phần này.

Hình 2-2 Cấu trúc một mạng DOCSIS

a. CMTS

37

CMTS là hệ thống chủ DOCSIS sinh ra giao thức DOCSIS luồng xuống cho các CM và kết cuối các tín hiệu DOCSIS luồng lên từ các CM. Như mô tả trong hình 2-3, CMTS bao gồm một giao diện với mạng dữ liệu MSO, các card đường truyền để cung cấp giao tiếp DOCSIS với HFC, một chuyển mạch gói, và các giao diện với các hệ thống quản lý và vận hành khác nhau. Mạng dữ liệu MSO là một mạng IP sử dụng Ethernet cho các lớp thấp hơn. Các giao tiếp mạng điển hình ngày nay là Gigabit Ethernet (GE), nhưng sẽ được dịch chuyển lên 10 G Ethernet (10GE). Vì số lượng thuê bao bị ảnh hưởng bởi sự cố giao tiếp mạng nên các khối thiết bị này sẽ được bảo vệ.

Hình 2-3 Mô tả mạng truy nhập DOCSIS

CMTS sử dụng một chuyển mạch Ethernet để định tuyến các gói dữ liệu giữa giao tiếp mạng và kết nối HFC thích hợp. Các khối chuyển mạch này điển hình cũng sử dụng cấu hình dự phòng để bảo vệ khi có sự cố về thiết bị. Các khối đường truyền CMTS cung cấp phần dữ liệu của giao diện với mạng HFC, gửi và thu các tín hiệu RF trên giao tiếp đồng trục tới giá bộ kết hợp RF. Trong hướng luồng xuống, cùng tín hiệu RF được phát quảng bá tới nhiều FN. Trong hướng luồng lên khi mà băng thông HFC bị giới hạn hơn nên thường mỗi FN sẽ sử dụng sợi quang riêng và kết nối RF tới CMTS hoặc trên một sợi quang tách biệt hoặc một tập bước sóng tách biệt trên một sợi quang chia sẻ. Các khối đường truyền thường được bảo vệ theo kiểu 1:n sử dụng một giá chuyển mạch chuyển tiếp bên ngoài để thực hiện kết nối đồng trục RF tới n khối đường truyền hoạt động hoặc tới một khối đường truyền bảo vệ. Giá chuyển mạch chuyển tiếp ngoài được điều khiển bởi CMTS.

38

CMTS làm việc với bộ điều khiển truy nhập bảo mật để xác định dịch vụ nào mà một CM được phép thu từ MSO đó. Đây là một điểm nổi bật của DOCSIS cái cho phép một thuê bao chuyển CM tới bất kỳ vị trí nào được phục vụ bởi MSO đó (tức là bất kì nhà nào nằm trong miền của hệ thống quản lý DOCSIS đó) và thu được các dịch vụ phù hợp. Đặc điểm này ngược với thiết bị tại nhà khách hàng DSL hoặc PON, cái bị gắn với một vị trí hơn là một thuê bao. Một thay đổi của CMTS đưa vào trong DOCSIS 3.0 là CMTS kiểu module (M-CMTS). M-CMTS phân chia các chức năng CMTS thành các phần thiết bị dạng module riêng biệt, mỗi phần được đặt trong giá của nó. Các chức năng này bao gồm các giao tiếp RF luồng xuống, giao tiếp RF luồng lên, định tuyến và tạo dạng lưu lượng, và định thời/đồng bộ. Ví dụ, phân tách các phần luồng lên và luồng xuống của CMTS cho phép mỗi phần được định cỡ riêng biệt dựa trên các kiểu nhu cầu hơn là yêu cầu nâng cấp toàn bộ một CMTS. Sự phân tách này đặc biệt hấp dẫn với dung lượng băng thông hướng xuống DOCSIS 3.0 lớn hơn nhiều từ việc liên kết kênh, mặc dù nó cũng có thể được sử dụng với DOCSIS 2.0. Sự tách biệt xử lý tín hiệu luồng xuống trong một module riêng biệt cho phép triển khai ít hơn các thiết bị QAM biên (EQAM) đối với các tín hiệu dữ liệu nhanh hơn, như vậy cung cấp một sự giảm chi phí thiết bị đáng kể. Việc có một module EQAM riêng biệt cho phép chia sẻ băng thông HFC giữa các dịch vụ video MPEGTS và DOCSIS. Tương tự, tỉ lệ các khối giao tiếp RF và bộ định tuyến hoặc dung lượng quả lý có thể được phối hợp với nhu cầu của ứng dụng. Máy chủ giao tiếp định thời DOCSIS (DTIS) là module cung cấp đồng hồ chính xác và đồng bộ nhãn thời gian giữa các module luồng xuống và luồng lên riêng biệt. Tiếp cận M-CMTS cũng cho phép các nhà sản xuất thiết bị khác nhau cung cấp các thành phần module khác nhau. b. Modem cáp (CM) CM cung cấp kết cuối phía thuê bao cho giao thức DOCSIS. Trong chiều hướng xuống, nó giải điều chế tín hiệu RF, nhận dạng các gói tin dự định cho CM đó, và chuyển đổi các gói thành tín hiệu giao diện thuê bao phù hợp. Đối với lưu lượng dữ liệu, giao diện thuê bao có thể là Ethernet hoặc một giao thức mạng trong nhà như tiêu chuẩn MOCA (Đa phương tiện truyền trên liên kết cáp đồng trục) sử dụng kết nối cáp truyền hình trong nhà như là lớp vật lý của một LAN cho phân phối dữ liệu. Như đề cập trước đó, thoại được mang trên mạng DOCSIS như dịch vụ VoIP. CM cung cấp xử lý VoIP và một giao diện thoại thông thường cho chuê 39

bao. Tín hiệu video điển hình được cho qua CM tới một bộ giải mã (STB – set-top box). Trong chiều hướng lên, CM tham gia vào giao thức MAC DOCSIS để thu được băng thông hướng lên, thực hiện ghép kênh gói tin và phát dữ liệu hướng lên tại thời điểm thích hợp bằng việc điều chế nó lên kênh RF phù hợp.

Hình 2-4 Ngăn xếp lớp giao thức DOCSIS

Ngăn xếp giao thức được xử lý bởi CM được cho thấy trong hình 2-4. CM bắc cầu giữa giao thức DOCSIS (cái kết cuối/khởi đầu phía mạng) và giao diện Ethernet/LAN cung cấp cho thuê bao. Các lớp cao hơn của ngăn xếp giao thức cung cấp chức năng cần cho OAM&P và duy trì SLA cho các luồng dữ liệu khách hàng. Chú ý rằng ngược với các đầu cuối DSL và các ONU của PON, DOCSIS có thể kết nối với nhiều CM trong một nhà đơn. Nói cách khác, không có sự tương đương DOCSIS của các chức năng cổng kết nối được thực hiện bởi thiết bị nhà khách hàng DSL hoặc PON. c. Nút sợi quang (FN) FN cũng đã được mô tả ở trên là một nút đơn giản chỉ có chức năng quản lý cơ bản. Trong chiều hướng xuống, nó thực hiện chức năng O/E và phát tín hiệu hướng xuống trên mạng cáp đồng trục. Nó cũng cung cấp việc cấp nguồn cho bất kì các bộ khuếch đại được sử dụng trên mạng đồng trục. Mạng đồng trục hoạt động song hướng. Trong chiều hướng lên, FN tách các tín hiệu RF từ các thuê bao và thực hiện chức năng E/O để phát chúng về CMTS. Tính đơn giản, kích cỡ và tiêu thụ công suất thấp là những xem xét quan trọng. d. Giá kết hợp RF 40

Trong chiều hướng xuống, giá kết hợp RF lấy các tín hiệu RF từ CMTS và tín hiệu video, thực hiện trộn RF và chuyển đổi điện – quang (E/O) để gửi tín hiệu tổng hợp trên mạng HFC. Trong chiều hướng lên, giá kết hợp RF thực hiện chuyển đổi quang – điện (O/E) và gửi các tín hiệu RF tới CMTS.

2.2.2 Lịch sử phát triển DOCSIS là một họ các giao thức thường được bổ sung các chức năng trong mỗi phiên bản phát hành mới. Các chức năng được bổ sung của các phát hành chính được tóm tắt ở đây. Một trong những mặt quan trọng của mỗi phiên bản DOCSIS là một CMTS hoặc CM hỗ trợ phiên bản mới có khả năng tương thích ngược với bản sao chỉ hỗ trợ một phiên bản trước đó. Ví dụ một CMTS hỗ trợ DOCSIS 2.0 có thể liên lạc xuyên suốt với một CM chỉ hỗ trợ DOCSIS 1.0 và ngược lại. a. DOCSIS 1.0 DOCSIS 1.0 là phiên bản đầu tiên. Mục đích cơ bản ban đầu của nó là cung cấp truy nhập Internet băng rộng và phiên bản này đã xác định các đặc điểm tối thiểu đòi hỏi thiết lập để hỗ trợ dịch vụ đó. Trong việc hỗ trợ dịch vụ đó, nó đã định nghĩa một tiêu chuẩn thiết lập giao thức dựa trên giao thức cấu hình động máy chủ (DHCP) và giao thức truyền tệp thường (TFTP). Nó cũng định nghĩa một giao thức quản lý mạng được xây dựng trên giao thức quản lý mạng đơn giản (SNMP). Quá trình lọc cổng và địa chỉ cũng đã được đưa vào DOCSIS 1.0. Vì cáp đồng trục là một môi trường chia sẻ, nên nó rất quan trọng để cung cấp bảo mật lớp tuyến từ sự khởi đầu DOCSIS 1.0. Giới hạn tốc độ cũng là một đặc điểm quan trọng của DOCSIS 1.0 cho môi trường đồng trục chia sẻ. b. DOCSIS 1.1 Phiên bản DOCSIS 1.1 đã mở rộng DOCSIS thêm một số khả năng. Hỗ trợ đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) là một sự bổ sung then chốt. Các đảm bảo này bao gồm băng thông, trễ và jitter (rung pha). Hỗ trợ việc tạo và xóa dịch vụ động cũng được bổ sung. Để tăng hiệu năng mạng, lớp MAC được tăng cường cho hiệu quả băng thông cao hơn. Một sự tăng cường như vậy là sự hỗ trợ cho việc kết chuỗi các khung dữ liệu, do đó nhiều khung/gói dữ liệu có thể được gửi trong chỉ một cấp phép băng thông hướng lên mà không đòi hỏi một cấp phép riêng biệt cho mỗi gói. Một sự tăng cường khác là sự hỗ trợ việc phân mảnh các gói dữ liệu dài để giảm thiểu tác động của chúng đến trễ và jitter của các luồng gói khác. Sự chặn tiêu đề tải 41

trọng cũng được bổ sung để tăng hiệu suất băng thông cho các dịch vụ có các tiêu đề mỗi gói lớn khác nhau chút ít từ gói này sang gói khác. Giao thức quản lý đã được nâng cấp để sử dụng SNMPv3. Sự nâng cấp này đã bổ sung một mô hình điều khiển truy nhập dựa trên lượt xem (VACM) cho quản lý SNMP. Nó cũng hỗ trợ khả năng xác thực và bảo mật. Thêm nữa, nó sử dụng các giá trị khởi tạo MIB cái cho phép CMTS xác định khóa mật công khai của CM và để bắt đầu phiên trao đổi để thiết lập xác thực và các khóa riêng mà nó sẽ sử dụng với CM đó. Khả năng thay đổi kênh động (DCC) cho phép CMTS thay đổi kênh RF hướng lên hoặc hướng xuống nào CM sử dụng. Hỗ trợ IP Multicast đã được bổ sung để hỗ trợ tốt hơn việc phân phối các dịch vụ video. Một mặt quan trọng của DOCSIS 1.1 là bảo mật tăng cường thông qua một phương pháp mã hóa mạnh hơn và một giao thức xác thực CM. Tải xuống phần mềm bảo mật tới các CM cũng được bổ sung. Các MIB mới bao gồm hỗ trợ cho QoS, BPI+ và IGMP. Các đặc điểm nổi bật khác của DOCSIS 1.1 là các chức năng quản lý thuê bao, quản lý tài khoản và quản lý lỗi. c. DOCSIS 2.0 DOCSIS 2.0 duy trì mọi thứ từ DOCSIS 1.1 và bổ sung các khả năng lớp MAC và lớp vật lý mới. Các kênh hướng lên của DOCSIS 2.0 hỗ trợ hai mode hoạt động khác nhau. Mode đầu tiên là Advanced TDMA (A-TDMA) là sự mở rộng trực tiếp của DOCSIS 1.0 và 1.1. Mode khác là công nghệ CDMA đồng bộ (S-CDMA) mới. SCDMA chia sẻ kênh RF bằng việc các thuê bao phát liên tục trong băng thông chia sẻ sử dụng kỹ thuật trải phổ phân chia theo mã hơn là sử dụng phương pháp chia sẻ thời gian của TDMA. A-TDMA và S-CDMA cho phép sử dụng các vùng phổ không thể sử dụng trước đó. Một sự tăng cường MAC được đưa vào DOCSIS 2.0 là khái niệm các kênh logic cho chiều hướng lên. Một kênh logic là một thực thể MAP (sơ đồ gán băng thông hướng lên) thu nhận các cấp phát băng thông thông qua một bản tin MAP kết hợp với ID kênh duy nhất của nó. Nó hoàn toàn được mô tả bởi các bản tin MAP và UCD (Upstream Channel Descriptor) của nó. Nhiều kênh logic có thể được hỗ trợ trên cùng kênh vật lý.

42

DOCSIS 2.0 cũng cung cấp cân bằng tải tự động. Trong suốt thời gian mà một CM được đăng ký, CMTS sử dụng đặc điểm này để điều khiển các thay đổi kênh động theo chiều hướng lên và hướng xuống cho CM đó. CMTS điều khiển sự thay đổi kênh thông qua các bản tin quản lý (các bản tin DCC). d. DOCSIS 3.0 Một trong các đặc điểm quan trọng của DOCSIS 3.0 là khả năng liên kết các kênh vật lý đơn với nhau để tạo ra các kênh logic băng thông cao hơn. Sự liên kết kênh được hỗ trợ theo cả hai chiều hướng lên và hướng xuống. Cơ chế này cho phép tốc độ dữ liệu cao hơn nhiều (vd: trên 100 Mbit/s hướng xuống), nhưng cũng có thể tương thích với các CM cũ. DOCSIS 3.0 bổ sung hỗ trợ nhóm kênh liên kết cho đặc điểm cân bằng tải tự động. Các CM hỗ trợ chỉ một kênh đơn theo cả hai chiều hướng lên và xuống được gọi là các CM đơn kênh cái được vận hành cùng kiểu như với DOCSIS 2.0. CMTS điều khiển cân bằng tải của các kênh được sử dụng bởi các CM đa kênh thông qua các bản tin thay đổi liên kết động (Dynamic Bonding Change - DBC). Cân bằng tải đối với các CM đơn kênh đòi hỏi dịch chuyển CM tới một kênh hướng lên và/hoặc hướng xuống khác nhau. Ngược lại đối với các CM đa kênh, CMTS dịch chuyển luồng dịch vụ tới một tập các kênh luồng lên hoặc luồng xuống khác nhau. Một đặc điểm quan trọng khác của DOCSIS 3.0 là sự hỗ trợ cho IPv6. IPv6 cung cấp một không gian địa chỉ mở rộng rất lớn và cho phép các khả năng vận hành cải thiện. IPv6 cũng thực hiện hỗ trợ cho các Set-top Box IP thực tế hơn. IP-Multicast là một đặc điểm quan trọng khác của DOCSIS 3.0. Ứng dụng thúc đẩy là các dịch vụ kiểu IPTV. Việc sử dụng IP multicast cho phép sử dụng các giao thức tiêu chuẩn để quản lý các dịch vụ video IP theo kiểu video được chuyển mạch. Hiệu suất băng thông đạt được bằng việc chỉ phân phối các chương trình video cho thuê bao khi người xem có mặt. IP multicast cũng cho phép thiết lập QoS, do đó chất lượng video không bị tác động bởi nghẽn mạng. Một đặc điểm DOCSIS 3.0 khác là sự hỗ trợ cho bảo mật lưu lượng mạnh hơn. DOCSIS 3.0 hỗ trợ AES 128 bit thay cho mã hóa DES 56 bit được sử dụng ở các thế hệ DOCSIS trước. Nó sử dụng mode CBC (cipher block chaining) ở đó phần dư của mã hóa một khối là nguồn cho mã hóa của khối tiếp theo.

43

2.2.3 Lớp vật lý DOCSIS Phổ tần hệ thống cáp MSO điển hình được cho thấy ở hình 2-5. Băng tần phổ điển hình tín hiệu video tương tự bắt đầu từ dưới quanh 54 MHz. Dưới tần số này, các suy giảm do tạp âm là quá lớn cho truyền dẫn video tương tự chất lượng. Tuy nhiên, băng tần 5 – 42 MHz là đủ mạnh mẽ cho các định dạng điều chế số và là vùng phổ được chọn cho truyền dẫn DOCSIS hướng lên. Một sự tăng cường cho phổ tần video tương tự gốc ban đầu là sự bổ sung các kênh tần số mới cao hơn để hỗ trợ các tín hiệu số. Các tín hiệu số được mang trên các kênh này bao gồm các kênh video được mã hóa số và các kênh DOCSIS hướng xuống.

Hình 2-5 Băng tần phổ trong DOCSIS.

a. Truyền dẫn DOCSIS hướng xuống Các tham số của các tín hiệu DOCSIS hướng xuống được tóm tắt trong bảng 2.1. Các MSO khu vực Bắc Mỹ đi theo các tiêu chuẩn ITU-T J.83-B, trong khi các MSO khu vực châu Âu đi theo các tiêu chuẩn truyền hình kỹ thuật số (DVB) ETSI EN 300 429. Một trong các khác biệt chính giữa các hệ thống cáp Bắc Mỹ và châu Âu là độ rộng một kênh 6 MHz được sử dụng ở Bắc Mỹ, trong khi các kênh 8 MHz được sử dụng ở châu Âu. Sự khác nhau này rõ ràng ảnh hưởng tốc độ dữ liệu khả thi trên mỗi kênh. Cả hai vùng sử dụng điều chế 256-QAM cho các kênh có tỉ số tín hiệu trên tạp âm đủ lớn và giảm xuống 64-QAM trên các kênh không thể hỗ trợ 256-QAM. Cả hai vùng cũng sử dụng các mã sửa lỗi tiến (FEC) Reed-Solomon, mặc dù mỗi vùng đã chọn một FEC cụ thể khác nhau. Quá trình sửa lỗi thực hiện bởi FEC làm tăng tỉ số tín hiệu trên tạp âm hiệu dụng của kênh, như vậy cho phép một sự tăng tốc độ dữ liệu vượt xa phần băng tần mà mào đầu FEC bổ sung tiêu tốn. RS(204,188) của châu Âu cung cấp khả năng sửa lỗi tốt hơn RS(128,122) của Bắc 44

Mỹ nhưng độ phức tạp bộ giải mã lớn hơn. RS(204,188) sửa lên tới 8 lỗi ký hiệu, trong khi RS(128,122) sửa lên tới 3 lỗi ký hiệu. Tiêu chuẩn Bắc Mỹ cũng hỗ trợ điều chế mã hóa lưới (TCM). Bảng 2.1 Các tham số lớp vật lý hướng xuống trong DOCSIS

Phụ thuộc vào chất lượng của kênh, DOCSIS như vậy hỗ trợ tốc độ dữ liệu mỗi kênh cỡ khoảng 27-39 Mbit/s ở Bắc Mỹ và 38-51 Mbit/s ở châu Âu.

Hình 2-6 Định dạng gói MPEG sử dụng trong DOCSIS.

DOCSIS định nghĩa phân lớp hội tụ truyền dẫn (TC) hướng xuống cung cấp một giao diện giữa MAC và phân lớp phụ thuộc môi trường vật lý (PMD). Phân lớp TC này cho phép ghép và tách video MPEG và dữ liệu DOCSIS trên phân lớp PMD. Tín hiệu TC hướng xuống là một luồng liên tục các gói MPEG dài 188 byte. Như cho thấy trong hình 2-6 khung MPEG bắt đầu bằng một tiêu đề 4 byte để nhận dạng khung chứa một tải trọng video MPEG hay tải trọng MAC DOCSIS. Tiêu đề phù hợp với tiêu chuẩn MPEG, nhưng việc đưa vào trường thích ứng là không được phép trong các gói MPEG này. Khi các gói MPEG mang dữ liệu DOCSIS thì tải trọng DOCSIS chiếm vùng tải trọng gói MPEG. Một khung MAC DOCSIS có thể bắt đầu bất cứ đâu trong gói MPEG. Mỗi gói MPEG có thể mang một khung MAC DOCSIS đơn có độn để điền đầy phần còn lại của vùng tải trọng gói MPEG hoặc nó có thể chứa nhiều khung MAC DOCSIS cái hoặc được kết chuỗi với nhau hoặc được cách biệt bởi các byte độn tùy chọn. Nó cũng có thể cho độ dài khung MAC DOCSIS vượt quá chiều dài của tải trọng gói MPEG.

45

Các đồng chỉnh khác nhau của khung MAC DOCSIS với gói MPEG được điều khiển bởi trường con trỏ. Nếu bộ chỉ thị bắt đầu khối tải trọng của tiêu đề MPEG được thiết lập thì trường con trỏ chiếm byte đầu tiên sau tiêu đề MPEG. Trường con trỏ chỉ cho CM biết bao nhiêu byte gói tiếp sau đó phải bỏ qua trước khi bắt đầu khung MAC DOCSIS. Nó cũng chỉ cho CM biết có các byte độn nào trong khung DOCSIS. DOCSIS sử dụng các byte độn toàn bit 1 để điền đầy bất kỳ khoảng trống nào giữa các khung MAC DOCSIS tiếp giáp nhau. b. Truyền dẫn DOCSIS hướng lên Các tham số truyền dẫn hướng lên trong DOCSIS được tóm tắt trong bảng 2.2 cho thấy sự tăng cường khả năng được đưa vào bởi DOCSIS 2.0. Như mô tả trong hình 2-5, các kênh hướng lên được sắp xếp trong băng tần từ 5 – 42 MHz. Bộ phát hướng lên được mô tả trong hình 2-7 trong đó có các khối chỉ duy nhất với các mode A-TDMA và S-CDMA. Tín hiệu hướng lên được trộn để thực hiện cân bằng xác suất cho tất cả các điểm chòm sao của tín hiệu hướng lên. Bộ trộn sử dụng đa thức trộn g(x) = x15 + x14 + 1 và nó được thiết lập lại tới một giá trị nguồn tại điểm bắt đầu của mỗi burst hướng lên. Giá trị nguồn được tính theo bản tin mô tả kênh hướng lên (UCD) từ CMTS. Bảng 2.2 Các tham số lớp vật lý hướng xuống trong DOCSIS

Vì các kênh hướng lên chiếm một phần tạp âm tương đối của phổ tần cáp đồng trục nên chúng được xác định để hỗ trợ một dải rộng các tùy chọn kiểu điều chế. Điều chế hiệu suất cao nhất có thể được hỗ trợ bởi kênh sẽ được lựa chọn. Các bộ lọc cân bằng thích ứng trước được xác định để thích ứng với méo tuyến tính của cáp đồng trục trong dải tần số này. Có khoảng 1 đến 4 nhánh bộ lọc trên mỗi ký hiệu. CMTS xác định các đặc tính kênh hướng lên và gửi các hệ số bộ cân bằng trước tới CM trong bản tin trả lời định cỡ khoảng cách (RNG-RSP). Một thiết lập hệ số bộ cân bằng trước mặc định được sử dụng trước khi CM thu được trả 46

lời định cỡ ban đầu của nó hoặc bất cứ khi nào nó thay đổi kênh hướng lên hoặc tốc độ ký hiệu.

Hình 2-7 Bộ phát hướng lên DOCSIS.

Một dải mã FEC Reed-Solomon được xác định cho tín hiệu hướng lên. Kích thước khối mã và tỉ lệ các bit dữ liệu trên các bit kiểm tra lỗi được xác định bởi các đặc tính và các suy giảm gặp phải trên kênh. DOCSIS 2.0 cũng đưa vào tùy chọn điều chế mã lưới TCM để cải thiện hiệu năng chống lỗi. Một mã lưới n/n+1 nhân đôi số lượng bit được mã hóa thành mỗi ký hiệu phát đi, nhưng thực hiện tăng tỉ số tín hiệu trên tạp âm một cách hiệu quả băng việc kiểm tra nhiều ký hiệu nối tiếp tuần tự để xác định chuỗi ký hiệu giống nhất được sinh ra bởi bộ mã hóa lưới. Dải tốc độ dữ liệu hướng lên mỗi kênh không gồm mào đầu FEC trong phạm vi từ 110 Kbit/s đến 30,72 Mbit/s. CM có thể sử dụng hoặc một độ dài cố định cho tất cả các từ mã FEC hướng lên hoặc nó có thể sử dụng một từ mã bị rút gọn cho từ mã cuối của burst tin. Như có thể thấy từ tham số k trong bảng 2.2, số lượng byte thông tin tối thiểu trong từ mã là 16 và một từ mã đầy đủ có 253 byte. Nếu một từ mã cuối bị rút ngắn được sử dụng, từ mã cuối vẫn sẽ chứa cùng số lượng bit như một từ mã đầy đủ nhưng nó sẽ độn bit 0 giữa điểm cuối của byte thông tin và vị trí byte kiểm tra FEC. b.1. Mode truyền dẫ

ướng lên TDMA

Mode TDMA tương tự mode sử dụng trong các mạng PON. Trong khi tín hiệu hướng xuống phát quảng bá tới tất cả các CM, các CM chia sẻ thời gian băng thông hướng lên bằng các khe thời gian truyền dẫn được cấp phép. Chỉ một CM phát tại một thời điểm trên một kênh xác định và nó sử dụng toàn bộ băng thông của 47

kênh trong suốt quá trình truyền dẫn. Burst truyền dẫn hướng lên từ một CM bao gồm một preamble, burst dữ liệu và thời gian bảo vệ. Preamble cho phép CMTS thích ứng việc thiết lập độ lợi bộ thu cân bằng tới mức tín hiệu của burst CM, và để đạt được quá trình đồng bộ cho việc khôi phục đồng hồ và dữ liệu để thu được phần dữ liệu của burst. Preamble có thể dài lên tới 1024 bit. Như với các hệ thống PON, thời gian bảo vệ được cấp phát để loại bỏ sự chồng lấn truyền dẫn từ các CM khác nhau tại CMTS vì sự khác biệt về tuyến truyền dẫn giữa CMTS và các CM vượt quá khả năng giải quyết bởi giao thức định cỡ khoảng cách (ranging). Ưu điểm cơ bản của TDMA là cung cấp khả năng miễn nhiễm với các nhiễu băng hẹp (các nguồn tạp âm tần số thấp). A-TDMA của DOCSIS 2.0 sử dụng độ rộng kênh lớn nhất cỡ 6.4 MHz và nó bổ sung hỗ trợ cho điều chế 8-QAM, 32QAM và 64-QAM. Thêm nữa, nó xác định một bộ cân bằng trước 24 nhánh được cải thiện nhiều và mã sửa lỗi Reed-Solomon tăng cường với kỹ thuật đan xen tùy chọn. Kết quả thu được thông lượng và hiệu năng truyền dẫn dữ liệu hướng lên cao hơn nhiều. Hiệu năng mạnh mẽ kháng lại các suy giảm đường truyền cáp cho phép sử dụng các phần vùng phổ hướng lên không được sử dụng trước đó. b.2. Mode truyền dẫ

ướng lên S-CDMA

S-CDMA là một kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp cho phép nhiều CM phát đồng thời trên cùng một kênh. Truyền dẫn trải phổ được kết hợp với TDMA sao cho các CM có thể có thời gian truyền dẫn burst xếp chồng dài hơn. Nói cách khác SCDMA duy trì hầu hết các điểm nổi bật của A-TDMA nhưng bổ sung trải phổ CDMA với điều chế mã lưới tùy chọn. Bằng việc cho phép truyền dẫn liên tục dài hơn thay cho truyền dẫn burst tương đối ngắn, S-CDMA tránh băng thông bị lãng phí bởi preamble và thời gian bảo vệ của nhiều burst ngắn hơn. Kết quả là thu được một truyền dẫn hướng lên hiệu quả hơn. CDMA cũng cung cấp khả năng miễn nhiễm tốt hơn với nhiễu burst. S-CDMA sử dụng một tập gồm 128 mã trực giao với điều chế 128-QAM và điều chế mã lưới tùy chọn. Cụ thể, khung S-CDMA được mô tả trong hình 2-8 có thể thiết lập cấu hình lên tới 128 mã bởi K khoảng trải phổ trên mỗi khung. Như mô tả trong hình 2-9, các phân khe (mini-slot) của khung S-CDMA được xác định bởi một sự tổ hợp số khung và mã trải CDMA có các phân khe được sắp xếp lên một nhóm mã liên tiếp. Một khoảng trải là số lượng các điểm dấu thời gian cần để phát một ký hiệu CDMA. Các dạng sóng phát của các CM khác nhau được đồng bộ trong thời gian 1 ns để duy trì tính trực giao của chúng. Lớp vật lý sắp xếp các phân 48

khe tới các khung. Một CM thực hiện đồng bộ thông qua sự kết hợp của quá trình khôi phục đồng hồ 10,24 MHz từ tín hiệu hướng xuống gửi bởi CMTS và giao thức định cỡ khoảng cách xác định khoảng cách từ CMTS đến CM.

Hình 2-8 Cấu trúc khung S-CDMA DOCSIS.

Hình 2-9 Mô tả phân khe và nhãn thời gian khung S-CDMA.

b.3. Liên k t kênh DOCSIS Như đề cập ở trên, DOCSIS 3.0 đưa vào một cơ chế để liên kết nhiều kênh RF với nhau giữa CMTS và một CM. Các kênh RF này là giống như các kênh được 49

sử dụng ở các phiên bản trước của DOCSIS. Một tập kênh liên kết được xem như một tập kênh phát (TCS) và/hoặc tập kênh thu (RCS). Các gói liên quan với cùng luồng dịch vụ được phân phối trên tập các kênh này. Cơ chế này cho phép tốc độ dữ liệu cao hơn nhiều, nhưng vẫn có thể tương thích với các CM đời trước. Đối với các hệ thống Bắc Mỹ, từng các kênh vật lý hướng xuống 6 MHz hỗ trợ 40 Mbit/s và từng các kênh hướng lên 6,4 MHz hỗ trợ 30 Mbit/s. DOCSIS 3.0 hỗ trợ ít nhất 160 Mbit/s hướng xuống và 120 Mbit/s hướng lên, trong mỗi trường hợp liên kết bốn kênh vật lý với nhau. Thêm vào tốc độ dữ liệu cao hơn, phân phối động các gói qua các kênh khác nhau trong một nhóm liên kết hướng xuống còn cho phép tối đa hóa độ lợi ghép kênh thống kê thực hiện được. Sự khác biệt độ trễ giữa các kênh có thể gây ra các gói được gửi trên các kênh khác nhau lệch khỏi chuỗi. Một số chuỗi được thêm vào mỗi gói để cho phép bộ thu phục hồi luồng gói phù hợp trước khi chuyển tiếp nó. Các số chuỗi cũng cho phép phát hiện các gói bị mất. Một kênh trong một tập kênh phát hoặc thu có thể trở thành không thể sử dụng, ví dụ nếu một CM mất một kênh hướng lên và/hoặc hướng xuống trong quá trình hoạt động bình thường. Tình huống này cũng có thể xảy ra nếu CM không thể thu được kênh đó trong quá trình đăng ký và /hoặc DBC. Mode hoạt động CM này được xem như mode dịch vụ từng phần trong kênh hướng lên hoặc hướng xuống tương ứng. CM thông tin tình huống này tới CMTS bằng việc hoặc không đưa ra phản hồi (ví dụ: REG-ACK hoặc DBC-RSP) khi không thể thu được kênh đó hoặc thông qua bản tin CM-STATUS trong sự kiện một kênh bị mất trong lúc hoạt động bình thường. Đối với trường hợp dịch vụ từng phần kênh hướng lên, CM không phát bất cứ gì trên kênh hướng lên không thể sử dụng ngoại trừ việc nó sẽ trả lời các cơ hội định cỡ khoảng cách unicast đối với kênh đó để thử thiết lập lại liên lạc trên nó. Khi CMTS nhận thức được tình huống nó sẽ cung cấp các cơ hội truyền ranging unicast cho CM đối với kênh hướng lên đó. Đối với dịch vụ từng phần kênh hướng xuống, một CM sẽ tiếp tục cố gắng thu được một kênh không sơ cấp đã bị mất. Nếu một kênh sơ cấp hướng xuống bị mất, CM sẽ khởi tạo lại MAC của nó. Nếu điều này xảy ra trong khi hoạt động bình thường thì nó sẽ thoát việc phát dữ liệu trên tất cả các kênh hướng lên trong khi cố gắng thu lại được kênh sơ cấp hướng xuống. CMTS không gửi các gói unicast trên một kênh hướng xuống không thể sử dụng. Dịch vụ từng phần có thể được giải quyết hoặc bằng thu thập lại các kênh hoặc sử dụng DBC để chuyển mạch tới tập kênh khác.

50

2.2.4 Quá trình đồng bộ và định khoảng cách Các CM DOCSIS được đồng bộ với CMTS để hỗ trợ CMTS khôi phục các burst dữ liệu hướng lên và tối đa hóa việc sử dụng băng thông hướng lên. Định thời truyền dẫn ký hiệu hướng lên của các CM được phối hợp bởi CMTS dựa trên sự kết hợp quá trình đồng bộ hóa và kiến thức về khoảng cách CM từ CMTS. a. Quá trình đồng bộ hóa Các khối cơ bản của quá trình đồng bộ hóa CM và CMTS được mô tả trong hình 2-10. CMTS là nguồn đồng hồ chủ cho mạng cùng với các CM thu được đồng hồ và tín hiệu định thời ký hiệu từ tín hiệu hướng xuống. Quá trình đồng bộ hóa và giải điều chế hướng xuống tuân theo khuyến nghị ITU-T J.83 phụ lục A, B, C. Đồng hồ chủ CMTS 10,24 MHz và tốc độ ký hiệu của nó được khóa với nhau. Mối quan hệ giữa đồng hồ và chu kì ký hiệu được định nghĩa như tỉ lệ của M và N với M và N là các số nguyên 16 bit được xác định bới các tham số TLV trong bản tin UCD.

Hình 2-10 Sơ đồ khối đồng bộ DOCSIS.

Mỗi CM cũng duy trì một bộ đếm nhãn thời gian cục bộ cái được khởi tạo bởi bản tin SYNC từ CMTS. Nhãn thời gian cục bộ được sử dụng bằng cơ chế ranging để cung cấp thông tin độ lệch định thời (timing offset). Cơ chế bộ đếm nhãn thời gian DOCSIS cho ranging tương tự như cơ chế sử dụng cho EPON. Cụ thể, nhãn thời gian là một bộ đếm 32 bit chạy bởi một đồng hồ có tần số cỡ 10,24 MHz ± 5 ppm được cấp từ ngoài cho cả hai PHY và MAC hướng lên. Lớp MAC CMTS duy trì bộ đếm khe thời gian chủ, trong khi các bộ đếm khung chủ và phân khe chủ nằm trong lớp PHY. Nhãn thời gian tại CMTS đặc trưng cho giá trị bộ đếm tại một thời điểm cố định tương ứng với thời điểm mà một byte đầu tiên của bản tin quản lý MAC đồng bộ hóa thời gian được truyền tới phân lớp phụ thuộc môi trường vật lý 51

hướng xuống từ phân lớp hội tụ truyền dẫn hướng xuống (thời gian lệch có thể là 0 hoặc một giá trị cố định). Tất cả trong phân lớp PHY được đồng bộ với giá trị nhãn thời gian MAC bằng việc sử dụng một xung đồng bộ hóa khung. Tại mỗi đường giới hạn khung, PHY bắt được nhanh một nhãn thời gian cái sẽ sẵn sàng cho truyền dẫn trong một UCD. Hoặc CMTS hoặc CM có thể có điểm tham chiếu bắt đầu và điểm tham chiếu kết thúc. Bất cứ cái nào có điểm tham chiếu bắt đầu sẽ duy trì trường này như một bản sao nhãn thời gian cục bộ của nó. Nếu CM có được điểm tham chiếu bắt đầu, thì CMTS đặt tất cả bit 0 trong trường bắt đầu nhãn thời gian và, nếu CMTS có được nó thì CM sao chép giá trị từ trường giống nhau của bản tin DPV-REQ (đề nghị kiểm tra tuyến DOCSIS) vào trường bắt đầu nhãn thời gian. Timestamp Start sau đó trao đổi giá trị nhãn thời gian khi người gửi đưa một gói DPV vào luồng dữ liệu tại điểm tham chiếu DPV. Trường kết thúc nhãn thời gian (Timestamp End) được khởi tạo tất cả về 0 bởi CMTS. CM sao chép vào trường TE hoặc nhãn thời gian cục bộ của nó nếu nó có được điểm tham chiếu kết thúc, hoặc nói cách khác giá trị đồng nhất từ bản tin DPV-REQ. CMTS thiết lập một tham chiếu định thời toàn cục cho các kênh TDMA bằng việc phát các bản tin SYNC hướng xuống tại tần số danh định. Vì bản tin SYNC chứa nhãn thời gian, nên CM biết chính xác khi nào CMTS gửi bản tin đó. CM so sánh nhãn thời gian thu được với thời điểm tại đó nó được thu thực sự và cập nhật tham chiếu đồng hồ cục bộ của nó tương ứng. CMTS thiết lập một tham chiếu định thời toàn cục bổ sung cho các kênh S-CDMA bằng cách gửi cả hai bản tin SYNC và MAC UCD hướng xuống tại tần số danh định. Nói chung, CM thực hiện đồng bộ hóa MAC sau khi nó thu được ít nhất hai bản tin SYNC trong 200 ms (khoảng SYNC lớn nhất) và kiểm chứng độ chính xác đồng hồ thu được trong giới hạn xác định. Trong chế độ khóa “Locked”, CM đồng bộ (khóa) theo đồng hồ ký hiệu hướng xuống thu được để thu được đồng hồ truyền dẫn hướng lên. Trong chế độ “Not Locked”, CM không sử dụng đồng hồ ký hiệu hướng xuống thu được, nhưng thay vào đó thu được gốc thời gian hướng lên từ các bản tin SYNC thu được. Trong các cấu hình một CM sử dụng nhiều kênh hướng xuống và hướng lên, thông tin nhãn thời gian có thể được gửi hoặc trên một kênh hướng xuống hoặc trên nhiều kênh. Nếu các nhãn thời gian kênh hướng xuống không đồng bộ thì sau đó mỗi kênh hướng lên phải được gắn chặt với một kênh hướng xuống để có được 52

thông tin nhãn thời gian, và mỗi kênh hướng xuống chỉ nên gửi các bản tin định thời cho các kênh hướng lên liên quan với kênh hướng xuống đó. Nếu tất cả các kênh hướng xuống được đồng bộ (tức nhãn thời gian thu được từ một gốc thời gian và đồng hồ chung), thì khi đó các bản tin định thời cho tất cả các kênh hướng lên được gửi trên tất cả các kênh hướng xuống, và một kênh hướng lên có thể sử dụng bất kỳ kênh hướng xuống nào cho thông tin nhãn thời gian. Với DOCSIS 3.0, CMTS sử dụng mỗi kênh hướng xuống CM sơ cấp cho liên lạc tham chiếu định thời toàn cục với nó. CM sử dụng tham chiếu định thời này như gốc thời gian cho định thời burst hướng lên trên tất cả các kênh hướng lên mà nó dùng. b. Quá trình ranging CMTS xác định khoảng cách giữa nó và mỗi CM để xem xét cho định thời cấp phép truyền dẫn burst hướng lên mà nó gửi cho mỗi CM. Như đã đề cập, TDMA và S-CDMA có các yêu cầu ranging khác nhau. Giao thức ranging hỗ trợ một trễ (một chiều) đầu cuối tới đầu cuối cực đại giữa CMTS và CM cỡ 800 s, tương ứng khoảng 161 km. Có hai bước cho quá trình ranging. Bước đầu tiên là một bước bảo dưỡng ban đầu cung cấp đồng chỉnh định thời thô. Bước thứ hai là một quá trình bảo dưỡng trạm tuần hoàn cung cấp quá trình đồng chỉnh định thời tinh. Lí do cho việc thực hiện các kiểm tra tần số, nguồn và ranging một cách tuần hoàn là để thích ứng với các biến đổi vật lý hệ thống cáp HFC trong ngày. Ví dụ hệ thống cáp có thể bị tác động bởi biến đổi nhiệt độ và kéo dãn cáp. Trong giai đoạn đầu tiên của ranging, CM thực hiện đồng bộ hóa định thời theo luồng ký hiệu hướng xuống và phân tích một bản tin mô tả kênh hướng lên MAC (UCD-MAC) để xác định các đặc tính kênh hướng lên. Tiếp theo, CM quét bản tin cấp phát băng thông MAP cho một vùng bảo dưỡng quảng bá ban đầu (BIMR-Broadcast Initial Maintenance Region) mà CMTS lập lịch sao cho nó đủ lớn để thích ứng trễ roundtrip trường hợp tệ nhất. CMTS lập lịch các cơ hội phát Broadcast Initial Maintenance để đồng chỉnh theo và mở rộng khoảng một số nguyên lần khung S-CDMA. CM sau đó phát bản tin ranging phù hợp trong một BIMR. Nó gửi đề nghị ranging liên kết ban đầu (B-INIT-RNG-REQ) nếu phát hiện một bộ mô tả miền MAC (MAC Domain Descriptor) trên kênh sơ cấp hướng xuống ứng cử của nó và thực hiện ranging ban đầu sau khi bật nguồn hoặc khởi tạo lại trên kênh hướng lên đầu tiên. Nó gửi một đề nghị ranging ban đầu (INIT-RNG-REQ) nếu UCD chỉ thị rằng kênh hướng lên hỗ trợ DOCSIS 2.0 (kênh hướng lên kiểu 3) 53

hoặc DOCSIS 3.0 (kênh hướng lên kiểu 4) và CM sẽ không thực hiện ranging ban đầu sau khi bật nguồn hoặc khởi tạo lại trên kênh hướng lên đầu tiên, và MAC Domain Descriptor không có mặt. Bản tin INIT-RNG-REQ được sử dụng khi một CM khởi tạo trên một kênh thứ cấp (tức kênh trên đó CM cố gắng để định khoảng cách sau khi nó thu được một phản hồi ranging trên một kênh khác, trừ phi phản hồi ranging đó chứa một Upstream Channel ID Override). Nói cách khác CM sẽ gửi bản tin đề nghị ranging (RNG-REQ). CM sử dụng trễ nội của nó như giá trị ban đầu cho độ lệch định thời (tức lượng trễ xảy ra nếu CM ở ngay cạnh CMTS không có trễ đường truyền cáp). Nó sử dụng tham số Ranging Backoff Start như điểm bắt đầu cho cửa sổ back-off truyền dẫn contention ranging ban đầu, và Ranging Backoff End như giá trị cửa sổ cuối cùng. Giá trị tham số (0-15) đặc trưng cho giá trị hàm lũy thừa 2 biểu thị kích thước cửa sổ. CMTS phản hồi lại bản tin đề nghị ranging của CM bằng bản tin Ranging Response (RNG-RSP) được chỉ định cho CM đó. Nếu CM chưa thu được một SID trước đó thì RNG-RSP gán hoặc một SID tạm thời hoặc một Ranging SID cho CM tới khi hoàn thành quá trình đăng kí. Các hiệu chỉnh cho mức công suất và tần số cũng như hiệu chỉnh độ lệch định thời cũng được gửi trong bản tin RNG-RSP. Tóm lại, giai đoạn đầu tiên của cơ chế ranging bắt đầu với CM gửi một bản tin đề nghị ranging và CMTS phản hồi bằng một bản tin phản hồi ranging chứa hiệu chỉnh định thời cùng với thông tin hiệu chỉnh mức công suất và tần số và các tham số bộ cân bằng trước. Bước thứ hai bắt đầu với CM chờ đợi cho vùng bảo dưỡng ban đầu unicast (Unicast Initial Maintenance) được gán cho SID mà nó đang dùng ban đầu. SID này có thể là SID tạm thời hoặc Ranging SID được gán trong suốt quá trình ranging giai đoạn đầu, hoặc một SID được gán trước đó nếu ranging xảy ra vì một Upstream Change Request (UCC), Dynamic Change Request (DCC) hoặc Upstream Channel Descriptor (UCD) thay đổi. Sau cái này, khoảng cách trạm được duy trì thông qua CM phản hồi các bản tin bảo dưỡng trạm gửi tới nó. Trong mỗi trường hợp này, CM phản hồi bằng việc sử dụng SID hiện tại của nó để gửi một bản tin RNG-REQ bao gồm cả méc công suất và các hiệu chỉnh độ lệch định thời nếu chúng được yêu cầu. CMTS phản hồi các bản tin RNG-REQ này bằng việc gửi bất kì sự tinh chỉnh tinh được yêu cầu bổ sung trong một bản tin RNG-RSP. CM và CMTS tiếp tục trao đổi các bản tin RNG-REQ và RNG-RSP cho tới khi hoặc CMTS gửi một chỉ thị 54

ranging thành công hoặc CMTS abort ranging. Sau khi hoàn thành quá trình ranging, CM tham gia luồng lưu lượng hướng lên thông thường. Đối với truyền dẫn TDMA, mục đích là để hạn chế các burst hướng lên từ các CM khác nhau xếp chồng lên nhau tại bộ thu CMTS, trong khi giảm thiểu khoảng thời gian bảo vệ giữa các burst để tối đa hóa sử dụng băng thông hướng lên. Các mục đích này cũng giống như PON và các hệ thống vô tuyến sử dụng TDMA. Kết quả truyền dẫn TDMA hướng lên đòi hỏi chỉ quá trình đồng chỉnh đồng bộ thô hướng lên cỡ ±800 ns. Trong trường hợp truyền dẫn S-CDMA hướng lên, các yêu cầu đồng bộ chặt chẽ hơn. Quá trình ranging S-CDMA cũng rất quan trọng để đồng bộ các thời điểm tới của các kí hiệu CDMA hướng lên được phát đi. Đồng bộ hóa các thời điểm tới CDMA tại bộ thu CMTS là quan trọng cho việc duy trì tính trực giao tương đối của các mã CDMA được sử dụng bởi các CM khác nhau do đó CMTS có thể phân biệt các ký hiệu từ mỗi CM khi chũng xếp chồng về thời gian. Cụ thể, các kí hiệu SCDMA phải được đồng chỉnh trong khoảng ±1 ns tại CMTS để đảm bảo các mã từ các CM là trực giao nhau. Như lưu ý ở trên, quá trình đồng bộ định thời CM, tần số phát và công suất phát cũng được thiết lập trong suốt quá trình ranging. Tại thời điểm kết thúc thủ tục ranging, sai số tần số phát phải nhỏ hơn 10 Hz và sai số mức công suất phát ít hơn 1 dB. Khoảng thời gian giữa các cơ hội bảo dưỡng tuần hoàn phải không nhiều hơn T4 giây, mặc dù nó thông thường đối với CMTS cung cấp các cơ hội thường xuyên hơn nhiều. T4 thường điển hình là 30 giây mặc dù một tùy chọn nhân 10 lần được phép để cho một T4 = 300 giây. CM thông báo một lỗi hết thời gian nếu nó không thể phát hiện được một cơ hội ranging trong T4 giây.

2.2.5 Phân lớp MAC DOCSIS CMTS sử dụng phân lớp MAC DOCSIS để điều khiển truy nhập tới các kênh lớp vật lý trong cả hai chiều hướng lên và hướng xuống. Các kênh hướng lên và hướng xuống là các kênh vật lý riêng biệt (các tần số riêng biệt) có tất cả các liên lạc giữa CMTS và các CM. Nói cách khác không có liên lạc ngang hàng CM và CM trực tiếp.

55

Như mô tả trong hình 2-11, các khung MAC DOCSIS bao gồm một tiêu đề MAC và một trường tải trọng tùy chọn để mang một đơn vị dữ liệu giao thức (PDU) độ dài thay đổi. Các trường tiêu đề được định nghĩa như sau: FC là trường điều khiển khung xác định kiểu và định dạng PDU. Bốn kiểu PDU được hỗ trợ bởi DOCSIS bao gồm: -

Các gói độ dài thay đổi (18 – 1518 byte)

-

Các tế bào ATM (n x 53 byte)

-

Tiêu đề MAC cụ thể không có PDU và

-

Kiểu PDU dự trữ cho tương lai

Năm loại tiêu đề MAC cụ thể là: -

Tiêu đề định thời;

-

Tiêu đề quản lý MAC;

-

Khung đề nghị (request)

-

Tiêu đề phân mảnh và

-

Tiêu đề kết chuỗi.

Tiêu đề định thời được sử dụng với PDU dữ liệu gói hướng xuống để trao đổi tham chiếu định thời toàn cục với CM. CMTS gửi một nhãn thời gian trong mỗi bản tin SYNC để chỉ ra thời điểm chính xác nó gửi bản tin và CM hiệu chỉnh đồng hồ nội của nó theo nhãn thời gian đó.

Hình 2-11 Định dạng khung MAC tổng quát của DOCSIS

Trường MAC_PARM được sử dụng cho điều khiển MAC. Việc sử dụng cụ thể của nó phụ thuộc vào kiểu khung được xác định bởi trường FC. Trường MAC_PARM chỉ ra: 56

-

Số lượng các khung MAC kết chuỗi cho một tiêu đề MAC kết chuỗi;

-

Lượng băng thông đề nghị cho một bản tin REQ;

-

Một trường độ dài tiêu đề mở rộng nếu EHDR_ON = 1.

Trường LEN điển hình chỉ ra độ dài của khung MAC. Trường hợp ngoại lệ là bản tin REQ, trong đó trường LEN mang SID của CM. Trường tiêu đề mở rộng (EHDR) là một sự mở rộng tùy chọn đối với định dạng khung MAC. Nó được sử dụng để hỗ trợ các chức năng bổ sung như phân mảnh khung và bảo mật tuyến dữ liệu. HCS là một trường chuỗi kiểm tra tiêu đề CRC-16 để phát hiện lỗi trong tiêu đề lớp MAC. Nó sử dụng đa thức sinh CRC g(x) = x16 + x12 + x5 +1. Nó thông thường cho các bản tin MAC để sử dụng các trường kiểu-độ dàigiá trị (TLV – Type-Length-Value) trong đó byte đầu tiên của trường chỉ ra kiểu thành phần xác định bởi TLV, byte thứ hai chỉ ra độ dài của TLV, và byte còn lại mang thông tin được liên lạc bởi TLV. Định dạng TLV thông thường được sử dụng trong IP cung cấp một cơ chế đơn giản cho việc bổ sung liên lạc của các tham số mới. Một CM hoặc CMTS mà không hiểu một TLV sẽ bỏ qua nó. a. MAC hướng xuống Các khung MAC DOCSIS được gửi theo hướng xuống được đóng gói thành một luồng gói MPEG. CMTS sẽ lập lịch truyền dẫn hướng xuống của nó. Điều khiển QoS được cung cấp bởi mức ưu tiên lưu lượng, các tốc độ dữ liệu dành trước và giới hạn tốc độ token bucket cho việc ra chính sách. Trước DOCSIS 3.0, DOCSIS đã cung cấp hỗ trợ giới hạn truyền dẫn multicast. Khả năng multicast hướng xuống được tăng cường bởi DOCSIS 3.0 để hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện như IPTV cái dựa trên IP Multicast. Đặc điểm mới được bổ sung để đảm bảo tính tương thích ngược được đảm bảo với kiểu multicast DOCSIS 2.0. Các điểm mới bổ xung là: - Sự chuyển tiếp lưu lượng SSM (Source Specific Multicast) cho các thiết bị IGMPv3 và MLDv2. - Hỗ trợ lưu lượng multicast liên kết. - Hỗ trợ thiết lập QoS cho lưu lượng multicast. - Hỗ trợ lưu lượng multicast IPv6

57

-

Theo dõi các CPE rõ ràng khi chúng là một phần của một nhóm multicast tại CMTS để hỗ trợ tốt hơn các chức năng bao gồm dò tìm sử dụng, tính hóa đơn và cân bằng tải.

DOCSIS 3.0 sử dụng các cơ chế được đơn giản hóa tại CM. Các bản tin khách hàng IGMP/MLD tới CM sẽ được chuyển tiếp trong suốt tới CMTS. Cơ chế điều khiển lớp 2 CMTS thiết lập chuyển tiếp các gói multicast hướng xuống tới các giao diện CM cụ thể bằng cách đánh nhãn tất cả các gói multicast bằng bộ nhận dạng dịch vụ hướng xuống (DSID). CMTS liên lạc DSID và các thuộc tính chuyển tiếp nhóm liên quan với CM và sử dụng DSID để nhận dạng tập các CM được chỉ định để thu các gói multicast bằng DSID đó. CM sử dụng DSID để nhận dạng các giao diện phía CPE mà gói cần được chuyển tiếp. Cơ chế chuyển tiếp và lọc DSID này dựa trên cơ chế định nghĩa cho lưu lượng multicast IPv6. b. MAC hướng lên Như mô tả trong hình 2-12, kênh hướng lên được phân chia thời gian thành các phân khe cái được đánh số tương ứng với đồng hồ chủ CMTS. Bất kì phân khe nào trong đó một CM được phép bắt đầu quá trình phát tạo nên một cơ hội phát hướng lên. CMTS đồng bộ đánh số phân khe tại các CM bằng việc gửi các gói SYNC. Đối với mode TDMA, các phân khe là khoảng (2n)(6,25 s), trong đó n = 1, …, 7 và 6,25 s là nghịch đảo của tốc độ kí hiệu thấp nhất (160 kHz). Độ dài cực đại của một burst hướng lên là 255 phân khe.

Hình 2-12 Mô tả định dạng khung hướng lên DOCSIS

Trong khi các truyền dẫn TDMA hướng lên chỉ được tách biệt theo thời gian, thì các truyền dẫn S-CDMA hướng lên được tách biệt bởi cả hai theo thời gian và mã trải phổ CDMA. Lớp vật lý sắp xếp các phân khe vào các khung. Các khung MAC DOCSIS hướng lên đi trước bởi một tiêu đề PMD chỉ ra biên giới phân khe với lớp MAC. Việc truyền dẫn khung MAC phải bắt đầu tại một ranh giới phân khe. 58

Hoạt động MAC hương lên liên quan đến hai hoạt động chính đó là: quá trình yêu cầu băng thông hướng lên và cấp phát băng thông hướng lên. CMTS cấp phép thời gian truyền dẫn hướng lên cho các CM thông qua các bản tin MAP được truyền phát theo hướng xuống. CMTS phát một bản tin MAP cho mỗi kênh hướng trong mỗi khoảng thời gian MAP. Khoảng MAP có thể được thiết lập điển hình từ 2-5 ms. Quá trình điều khiển truy nhập dựa trên việc dành trước. Một trong những cơ chế dành trước lập lịch trước các đặt trước cho truyền dẫn hướng lên tại các khoảng tuần hoàn. Một cơ chế khác là cho các CM gửi đi các yêu cầu dành trước của chúng trong các khe xung đột được biết như là cơ chế “Slotted-ALOHA”. CMTS sẽ xếp hàng và đặ mức ưu tiên các bản tin đề nghị khác nhau và dành trước các phân khe hướng lên tương laic ho các CM liên quan để gửi dữ liệu của chúng. Giải thuật lập lịch sẽ xem xét các tham số bao gồm lớp dịch vụ yêu cầu và các đề nghị có tính cạnh tranh từ các CM khác cho cùng kênh hướng lên. Bản tin MAP từ CMTS chỉ cho CM biết các phân khe nào nó có thể sử dụng để phát dữ liệu trong khung hướng lên của một kênh xác định. Bản tin MAP cũng trao đổi các phân khe nào sẵn có cho truyền dẫn yêu cầu hướng lên dựa trên nghẽn và các phân khe nào sẵn có cho các CM mới để thông báo cho CMTS biết.

2.3 DOCSIS trên mạng PON Các công ty truyền hình cáp MSO sử dụng DOCSIS để cung cấp truy nhập băng rộng trên các mạng HFC. Trong khi DOCSIS 3.0 cho phép thực hiện các kết nối băng thông lớn trên cáp đồng trục, thì nó rõ ràng rằng FTTH cung cấp mạng truy nhập hiệu năng cao nhất và linh hoạt nhất. Do vậy các MSO cũng quan tâm đến công nghệ PON. Có nhiều ứng dụng làm sử dụng PON trở nên hấp dẫn. Ứng dụng đầu tiên là để phục vụ các khách hàng doanh nghiệp. EPON hoặc mạng 10G EPON để cho các khách hàng doanh nghiệp có thể được sử dụng trực tiếp mà không phải tích hợp vào các hệ thống DOCSIS. Một ứng dụng khác là sử dụng khu vực dân cư xanh như phát triển khu vực nhà ở mới mà ở đó các nhà xây dựng muốn một hạ tầng FTTH như một điểm bán hàng cho vùng lân cận. Vì nó đòi hỏi bảo dưỡng định kỳ ít hơn cáp đồng trục nên sợi quang cũng hấp dẫn trong một số ứng dụng khu vực cải tạo. Thêm nữa, có áp lực cạnh tranh đang tăng lên các MSO từ các công ty viễn thông khi họ đang sử dụng các mạng FTTH của họ để cạnh tranh các dịch vụ mới. Hai tiếp cận FTTH sẵn có cho các MSO. Tiếp cận thứ nhất là giao thức RF over Glass (RFoG) của SCTE. RFoG thay thế phần cáp đồng trục của mạng HFC bằng sợi quang và ngoài ra sử dụng cùng các giao thức và định dạng tín hiệu 59

DOCSIS. Tiếp cận thứ hai là sử dụng giao thức PON như EPON hoặc 10G EPON cho lớp 1 và tích hợp các lớp trên của hệ thống PON vào hệ thống quản lý DOCSIS. Ưu điểm của tiếp cận RFoG là nó có thể được sử dụng trong thời hạn gần sử dụng cùng CM, CMTS và cấu trúc quản lý DOCSIS như trong các mạng HFC hiện tại. Nhược điểm đối với RFoG là thông lượng bị giới hạn tại tốc độ DOCSIS 3.0 và nó không thể hỗ trợ tốc độ dữ liệu tiềm năng cao hơn của EPON hoặc GPON có thể nâng cấp lên 10G EPON hoặc XG-PON. Các MSO cũng đang theo đuổi tiếp cận thứ hai thông qua sự kết hợp hai dự án tiêu chuẩn. Một trong số này là sự phát triển đặc tính kỹ thuật triển khai DOCSIS của EPON (DPoE) mới được ban hành bởi CableLabs, và thứ hai là sự tham gia tích cực của CableLabs và các MSO trong IEEE SIEPON. DPoE là một sự mở rộng tự nhiên của mạng DOCSIS theo một cấu hình vật lý dựa trên FTTH. EPON và 10G EPON đã được lựa chọn vì phù hợp tốt hơn cho các ứng dụng MSO PON so với các giao thức của ITU. Một lí do là MAC EPON đặc biệt với sự mở rộng tùy chọn nhiều-LLID được hỗ trợ bởi các tiêu chuẩn SIEPON đang nổi lên, vận hành giống như MAC DOCSIS hơn là MAC GPON. Lí do thứ hai là các tham số lớp vật lý EPON cho phép sử dụng các thành phần chi phí thấp hơn. Nhưng một lí do khác là vì các nhà mạng viễn thông hầu như bị buộc cam kết với GPON, nên có thể xuất hiện phản ứng “me-too” nếu các MSO cũng sử dụng GPON. DPoE DPoE khai thác các giao thức DOCSIS và EPON đang tồn tại cùng với hệ sinh thái tương ứng của chúng bằng việc kết hợp chúng lại với nhau. Giao thức EPON được sử dụng cho kết nối mạng lớp 1, trong khi các giao thức DOCSIS được phỏng tạo bởi mạng EPON để giống như mạng HFC DOCSIS thông thường đối với cả hai hệ thống quản lý DOCSIS và CPE. Một ONU DOCSIS (D-ONU) cư xử theo cùng một kiểu như một CM theo các khả năng dịch vụ. Để cho D-ONU cư xử như một CM thì nó phải có một kết nối với hệ thống quản lý DOCSIS. Ví dụ, hệ thống quản lý cần nhận ra được các khả năng của nó và cấu hình nó để chuyển tiếp lưu lượng thích hợp. Vì hệ thống EPON không mang các kênh DOCSIS và do vậy không thể được chạm đến trực tiếp bởi hệ thống quản lý DOCSIS, nên nó rất cần thiết để phát triển một phương pháp tiêu chuẩn cho việc dịch thông tin này để truyền tải được trên giao thức EPON. Hệ thống DPoE cái bao gồm OLT của PON cung cấp dịch vụ biên dịch giữa giao thức DOCSIS cho giao tiếp với hệ thống quản lý DOCSIS và các giao thức EPON cho việc liên lạc với một ONU. 60

DPoE cung cấp cả hai dịch vụ thoại và dữ liệu (truy nhập internet) đối với cả hai khách hàng cá nhân và doanh nghiệp. Các dịch vụ dữ liệu cho người dùng cá nhân cũng giống như các dịch vụ được hỗ trợ bởi DOCSIS. Các dịch vụ dữ liệu hãng doanh nghiệp DPoE được xây dựng trên các định nghĩa dịch vụ MEF (Metro Ethernet Forum). Chúng bao gồm các định nghĩa dịch vụ MEF cho E-Line, E-LAN và E-Tree. Công nghệ Ethernet VLAN (Virtual LAN) được sử dụng cho việc định tuyến lưu lượng Ethernet, như vậy đòi hỏi D-ONU phải có khả năng xử lý VLAN. DPoE triển khai các dịch vụ DOCSIS IP thông qua các kênh ảo Ethernet (EVC) giữa một cổng Ethernet trên một DPoE ONU độc lập (S-ONU) và một chức năng bộ định tuyến IP trong hệ thống DPoE. Các dịch vụ này thỉnh thoảng được gọi là các dịch vụ dữ liệu IP tốc độ cao (IP-HSD) được định nghĩa trong DOCSIS 3.0. Các dịch vụ thoại cho người dùng cá nhân được cung cấp thông qua VoIP theo cùng một kiểu như với DOCSIS. Đây cũng là một tùy chọn cho các khách hàng doanh nghiệp. Một lựa chọn khác, một khách hàng doanh nghiệp có thể có được dịch vụ thoại thông qua kết nối DS1 (ví dụ từ một PABX) đến CPE của nó. Trong trường hợp này, DS1 được đi qua mạng DPoE bởi một dịch vụ phỏng tạo kênh (CES) trên Ethernet. Các dịch vụ video có thể hoặc được cung cấp như lưu lượng được gói hóa (hoặc như video over IP hoặc video trực tiếp trên Ethernet) hoặc như một tín hiệu RF trên một bước sóng tách biệt của PON. Tiếp cận IPTV truyền phát video tới một ONU như một dịch vụ dữ liệu dựa trên IP sử dụng các tham số QoS thích hợp. Tiếp cận này không có tác động trực tiếp lên các giao thức PON hoặc DOCSIS. Nó cũng phù hợp tốt hơn nhiều đối với video theo yêu cầu (VoD) và chức năng VCR (Máy ghi video cassette) ảo so với tiếp cận xếp chồng video. Khả năng dữ liệu gói tốc độ cao của EPON phù hợp tốt với tiếp cận DOCSIS cho việc cung cấp tất cả các kiểu dịch vụ qua IP. Tuy nhiên đây là sự khác biệt quan trọng giữa các mạng DOCSIS và DPoE. Trong đó DOCSIS sử dụng IP như phương thức chung cho tất cả các dịch vụ, thì DPoE sử dụng Ethernet. Vì các dịch vụ DOCSIS được xây dựng trên truyền tải IP nên chúng phải thực hiện phỏng tạo Ethernet để cung cấp các dịch vụ Ethernet. Ngược lại, DPoE sử dụng Ethernet đơn thuần có thể hoặc cung cấp các dịch vụ Ethernet trực tiếp hoặc phục vụ như giao thức lớp 2 để cung cấp các dịch vụ IP.

61

2.4 Truyền tín hiệu RF trên sợi quang Có hai kiểu ứng dụng gửi tần số vô tuyến hoặc thông tin vô tuyến qua mạng truy nhập quang sợi. Ứng dụng đầu tiên là cho các mạng truy nhập vô tuyến kết nối các trạm gốc mạng di động với tổng đài phục vụ. Ứng dụng thứ hai là truyền các kênh video của một mạng truyền hình cáp. Trong khi kết nối giữa một trạm gốc vô tuyến (BTS) và mạng thường được xem như một tuyến backhaul, còn các kết nối giữa một BTS và một thiết bị vô tuyến đối diện thường được xem như fronthaul. Để tăng dung lượng trên mỗi người dùng của các hệ thống truy nhập không dây và giảm công suất tín hiệu vô tuyên trên bộ phát, nó rất quan trọng để dịch chuyển ăngten vô tuyến càng sát với thuê bao càng tốt (tức tạo ra ô tế bào nhỏ hơn). Nó có thể sử dụng các nguồn laser tuyến tính để mang các tín hiệu RF qua sợi quang. Các yêu cầu tuyến tính cho truy nhập không dây ít nghiêm ngặt hơn một chút. Truyền tải tín hiệu di động RF như một tín hiệu quang được biết như là kỹ thuật Radio over Fiber (RoF). Tiếp cận khác sử dụng một tín hiệu số băng gốc hơn là một tín hiệu RF tương tự. Ứng dụng truyền hình cáp mở rộng phần sợi quang của mạng CATV tới thuê bao hơn là sử dụng giao tiếp cáp đồng trục được biết như là RFoG. a. Truyền tín hiệu vô tuyến qua sợi quang (RoF) Độ phức tạp và mức tiêu thụ công suất của thiết bị tại các vị trí trạm vô tuyến có thể được giảm có nghĩa nếu một tín hiệu RF được phân phối tới vị trí đó. Sợi quang là môi trường thực tế nhất để mang các tín hiệu RF này mà không tạo ra hay gặp phải các vấn đề nhiễu điện từ. Các sợi quang được kết nối với một nút trung tâm cái điều biến dữ liệu lên các tín hiệu sóng mang tần số cao. Tiếp cận này được gọi là RoF. Một ứng dụng khác của RoF là phân phối các tín hiệu video trên PON. Việc phát các tín hiệu tương tự qua sợi quang có méo nhỏ nhất đòi hỏi các nguồn và bộ thu có tính tuyến tính cao. Chú ý rằng một tín hiệu băng tần RF hoặc băng tần IF có thể được sử dụng để điều biến sóng mang quang. Khi điều biến băng IF được sử dụng thì đôi khi một tín hiệu tần số tham chiếu RF được phát để đơn giản hóa bộ thu. Điều biến cường độ của bước sóng sóng mang tương đối rõ ràng. Tuy nhiên tán sắc trong sợi quang có thể gây ra tương tác của các băng bên (sideband) dẫn đến pha đinh. Các kỹ thuật khác nhau tồn tại để khắc phục vấn đề pha đinh này bao gồm kỹ thuật heterodyne và truyền dẫn đơn băng (SSB), nhưng các kỹ thuật này bổ sung 62

thêm độ phức tạp. Nói cách khác, truyền dẫn qua sợi quang thu được ít suy giảm hơn truyền dẫn qua cáp đồng trục. Một kỹ thuật liên quan được biết như là Microwave over Fiber (MoF) trong đó một tín hiệu sóng mang vi ba được điều biến trên bước sóng mang quang để mang các tín hiệu cho các trạm gốc WiMAX. Tín hiệu vi ba này là tín hiệu tương tự giữa trạm gốc và ăngten. Với WDM-PON, tín hiệu cho mỗi ăng ten sử dụng một bước sóng riêng biệt. Xếp chồng lên một TDMA-PON đòi hỏi sự dịch tần số tín hiệu vi ba do đó chúng tạo ra các sóng mang con quang duy nhất trên PON. Khi TDMA-PON được sử dụng để mang các tín hiệu tới một trạm gốc tích hợp như trạm cho WiMAX thì trạm gốc thường được xem như là một cổng kết nối vô tuyến. Tiềm năng tồn tại với kiến trúc này cho việc tích hợp các giải thuật cấp phát băng thông vô tuyến và PON. Ví dụ nếu một TDMA-PON ONU và một trạm gốc WiMAX được tích hợp, ONU có thể có ưu điểm biết được bao nhiêu băng thông trạm gốc được cấp phép cho những người dùng WiMAX của nó khi nó thực hiện đề nghị băng thông lên OLT. Kết quả thu được là việc cấp phát băng thông hiệu quả hơn và trễ ngắn hơn vì tránh được một đề nghị độc lập tuần tự cho trạm gốc và ONU. b. Các giao diện vô tuyến số băng gốc qua sợi quang Ngược với RoF, hai chuẩn đặc tính kỹ thuật trong công nghiệp đã được phát triển cho truyền phát một tín hiệu số băng gốc giữa trạm thu phát gốc (BTS) và một đầu xa RF (RRH) hơn là sử dụng một tín hiệu RF. Một chuẩn kỹ thuật là giao diện vô tuyến công cộng chung (CPRI). CPRI đã được phát triển bởi một sự hợp tác giữa 5 nhà sản xuất BTS lớn và chuẩn kỹ thuật này đã được phát hành công khai. Một chuẩn kỹ thuật khác là một phần của chuẩn sáng kiến kiến trúc trạm gốc mở (OBSAI). OBSAI cũng đã được phát triển bởi một tổ chức công nghiệp gồm nhiều thành viên. Mục đích của OBSAI bao phủ hầu hết các mặt của kiến trúc BTS, tuy nhiên đặc tính RP3 có phạm vi tương tự CPRI.

63

Hình 2-13 Cấu trúc khung cơ bản giao thức CPRI.

Có hai ưu điểm chính cho việc truyền tín hiệu số băng gốc. Quan trọng nhất nó tránh được các thách thức khác nhau liên quan đến việc truyền phát tín hiệu RF tương tự. Ví dụ các yêu cầu tuyến tính của thành phần hệ thống không phải là yếu tố quan trọng đối với tín hiệu số. Tương tự, pha đinh tín hiệu do tán sắc không phải là một vấn đề. Ưu điểm thứ hai là nó cho phép các kênh chẩn đoán đi kèm cho OAM&P của tuyến RRH và sợi quang. Một ưu điểm thứ cấp là mào đầu đi kèm cho phép đo chính xác trễ tuyến cái có thể được sử dụng bởi một BTS cho việc chuyển giao tốt hơn giữa các vị trí ô tế bào. Một nhược điểm sử dụng tín hiệu số băng gốc là các thành phần điện tử bổ sung đầu xa được đòi hỏi tại ăngten để chuyển đổi giữa tín hiệu băng gốc số và tín hiệu RF của ăng ten. Chú ý rằng tốc độ bit được chọn cho các tín hiệu số băng gốc là tốc độ để cho phép RRH thu được đồng hồ RF ổn định cao cho giao diện không gian từ đồng hộ được khôi phục của tín hiệu số băng gốc. Có một số điểm tương tự giữa CPRI và OBSAI RP3. Ví dụ cả hai đã được thiết kế để hỗ trợ hoặc môi trường quang hoặc điện và để hỗ trợ các cấu hình mạng bao gồm điểm-điểm, đường thẳng, cây và nhánh, và vòng (ring). CPRI hỗ trợ các tín hiệu vô tuyến UMTS, LTE và WiMAX. Như mô tả ở hình 2-13 cấu trúc khung CPRI được xây dựng từ các phân khung 16 từ mã gọi là các khung gốc (BF-Base Frame) trong đó dữ liệu tải trọng người dùng được mang trong 15 từ mã và một từ mã được sử dụng cho thông tin điều khiển. Tín hiệu CPRI phát các BF tại tốc độ chip vô tuyến UMTS 3,84 MHz. Vì mỗi từ mã dữ liệu cho tốc độ gốc là 1 byte cái được mã hóa đường truyền 8B/10B nên tốc độ gốc thu được là 614,4 Mbit/s. CPRI cũng hỗ trợ nhiều tốc độ gốc này (1,2288 Gbit/s, 2,4576 Gbit/s, 3,072 Gbit/s, 4,9152 Gbit/s, 6,144 Gbit/s và 9,8304 Gbit/s) cho sự tăng trưởng về băng thông. Mỗi tốc độ cao hơn này vẫn truyền phát BF tại cùng tốc độ 64

3,84 MHz, nhưng kích thước từ mã được tăng lên 2, 4, 5, 8, 10 và 16 byte tương ứng. Một siêu khung (HF) gồm 256 BF và sử dụng kí tự dấu phẩy 8B/10B K28.5 như từ mã điều khiển trong BF đầu tiên như bộ khử giới hạn HF. Các HF có thể được kết hợp thành các khung vô tuyến lớn hơn. Ví dụ, khung vô tuyến UMTS gồm 150 siêu khung. Các từ mã điều khiển trong 250 BF khác được cấu trúc như các phân kênh được ghép theo thời gian cấp phát cho việc mang thông tin điều khiển, quản lý, nhà sản xuất và đồng bộ giao diện không gian. Cấu trúc đa khung được sử dụng bởi CPRI để hỗ trợ sắp xếp khác nhau cho mỗi kiểu dữ liệu ứng dụng. Phần tải trọng của BF gồm các mẫu băng gốc I/Q. Các mẫu I và Q cho mỗi mẫu IQ đầu tiên được ghép xen bit, sau đó các mẫu ghép xen bit này được ghép vào tải trọng BF thành các khe thời gian cố định liên quan đến mỗi sóng mang ăngten được hỗ trợ. Dữ liệu băng gốc được đồng chỉnh theo chu kì khung giao diện không gian liên quan băng việc sử dụng dữ liệu từ phân kênh đồng bộ hóa từ mã điều khiển. Giao tiếp điện CPRI sử dụng hoặc giao tiếp điện áp thấp Ethernet XAUI cho tất cả các tốc độ hoặc 1000Base-CX cho điện áp cao hơn. Giao tiếp quang điển hình sử dụng các bộ thu phát Ethernet hoặc Fiber Channel. ITU-T SG15 đã bổ sung một sự sắp xếp cho các tín hiệu CPRI vào tải trọng OTN G.709. Sự sắp xếp này đã được đề nghị bởi nhiều nhà mạng đặc biệt là China Mobile. Có hai ứng dụng chính kích thích sự quan tân đến sự sắp xếp này. Một ứng dụng là để cho phép một nhà mạng vô tuyến thuê một kết nối thông qua một mạng truy nhập hoặc metro của nhà mạng có dây để cung cấp tuyến CPRI. Bằng việc thuê kết nối này, nhà mạng vô tuyến có thể tránh hoặc trì hoãn nhu cầu xây dựng hạ tầng sợi quang của nó trong các khu vực này. Ứng dụng thứ hai cho việc mang CPRI qua OTN là để hỗ trợ truy nhập WDM tốt hơn mà ở đó các tín hiệu CPRI chia sẻ hạ tầng PON cung cấp cả hai tuyến CPRI tới các vị trí RRH và tuyến EPON/GPON tới những người dùng khác. Các ví dụ mà ở đó các tuyến EPON/GPON kết nối bao gồm các khách hàng doanh nghiệp và các ONU ở khu vực dẫn cư để phục vụ các LAN không dây. Ứng dụng này cho phép một nhà mạng vô tuyến xây dựng một mạng truy nhập sợi quang linh hoạt cho nhiều ứng dụng khác nhau sử dụng cùng công nghệ OTN mà họ quy hoạch sử dụng cho các ứng dụng mạng lõi và backhaul của họ. Một ưu điểm khác của việc dùng OTN trong ứng dụng này là nó cung cấp một phương pháp TDM cho việc kết hợp 65

nhiều các tín hiệu CPRI trên cùng bước sóng, như vậy tránh được một số chi phí liên quan đến việc sử dụng các bước sóng tách biệt cho mỗi tín hiệu CPRI. Một tín hiệu CPRI 614,4 Mbit/s hoặc 1,2288 Gbit/s sẽ được sắp xếp như một tín hiệu CBR trong một đơn vị dữ liệu quang mức 0 (ODU0) và tín hiệu CPRI 2,4576 Gbit/s sẽ được sắp xếp vào ODU1. Các tín hiệu CPRI tốc độ cao hơn sẽ được sắp xếp vào ODUflex mới cho truyền tải tín hiệu CBR. Các tín hiệu ODU0, ODU1 và ODUflex(CBR) sau đó có thể được ghép thành một tín hiệu truyền tải OTN tốc độ cao hơn. Trở ngại chính để sử dụng OTN là CPRI có các yêu cầu vô cùng nghiêm ngặt thời gian định thời được sinh ra từ nhu cầu hỗ trợ chuyển giao di động giữa các vị trí ăngten. Về độ chính xác tần số, tuyến downlink CPRI phải đảm bảo chính xác trong phạm vi ±0.002ppm. Để phối hợp các tín hiệu giữa các vị trí ăngten, CPRI bao gồm một giao thức đo trễ cũng phải đảm bảo vô cùng chính xác. Ví dụ đối với các ứng dụng UMTS, phép đo trễ phải chính xác trong khoảng ±0,03125 chip cho downlink và ±0,0625 chip cho một roundtrip. Hỗ trợ độ chính xác trễ và tần số mức này trên OTN là rất thách thức vì các khách hàng OTN khác cho phép một mức độ jitter và wander lớn hơn nhiều. Nó vẫn chưa rõ ràng về việc hiệu quả chi phí không khi sử dụng OTN cho truyền tải các tín hiệu CPRI. c. Truyền tần số vô tuyến qua mạng truyền hình (RFoG) Tiêu chuẩn RFoG (SCTE IPS SP 910) đã được phát triển bởi ủy ban kỹ thuật của hiệp hội kỹ sư cáp viễn thông (SCTE) để cung cấp tùy chọn hạ tầng FTTH cho các tín hiệu video CATV và DOCSIS. Hệ thống RFoG là một mạng PON cho phép các nhà mạng truyền hình cáp sử dụng cùng thiết bị tại cả hai vị trí nhà người dùng và headend như được sử dụng với các mạng HFC truyền thống của họ với chỉ phần truy nhập cáp đồng trục bây giờ được thay thế bằng sợi quang.

66

Hình 2-14 Mô tả kiến trúc RFoG

Như mô tả trong hình 2-14, phần tử tích cực cuối cùng được gọi là bộ tập trung quang (Optical Hub) và đầu cuối thuê bao tại nhà người dùng được gọi là đơn vị mạng quang RFoG (R-ONU). Tiêu chuẩn RFoG bao phủ ODN giữa Optical Hub và R-ONU, xác định khoảng cách và tổn hao quang của phần này trên mạng và RONU tới giao tiếp RF đồng trục tại thiết bị thuê bao. Cấu trúc Optical Hub xác định theo ứng dụng, do đó nó không được xác định bởi tiêu chuẩn RFoG. Bằng việc tập trung vào R-ONU, tiêu chuẩn RFoG cho phép sự tương thích với các R-ONU từ nhiều nhà sản xuất thiết bị trên một ODN. R-ONU bao gồm: -

Một bộ lọc WDM để tách biệt các bước sóng hướng lên và hướng xuống.

-

Bộ thu quang hướng xuống và bộ phát hướng lên.

-

Một bộ ghép quang song công có các bộ lọc thông thấp và thông cao để giao tiếp giữa giao diện đồng trục hai hướng và các module OE hướng xuống và EO hướng lên.

-

Một bộ tách tín hiệu cho truyền dẫn hướng lên cho phép laser hoạt động khi phát hiện tín hiệu hướng lên đi tới từ giao diện cáp đồng trục.

Hai bước sóng hướng lên được phép với RFoG là 1310 nm và 1610 nm. Bước sóng 1310 nm cung cấp cho việc sử dụng các laser rẻ tiền tại R-ONU khi ODN chỉ mang lưu lượng DOCSIS hướng lên. Sử dụng bước sóng 1610 nm cho phép các tín hiệu RFoG hướng lên cùng hoạt động trên cùng ODN với hoặc EPON, 67

10G EPON, GPON hoặc XG-PON vì tất cả các mạng này sử dụng 1310 nm cho truyền dẫn hướng lên. Tuy nhiên, nó yêu cầu một bộ lọc notch (hoặc riêng biệt hoặc tích hợp) tại R-ONU để lọc sóng mang 1577 nm. Đặc tính kỹ thuật RFoG hỗ trợ tỉ lệ tách lên tới 1:32 và khoảng cách từ 0 – 20 km với quỹ suy hao quang cực đại cỡ 25 dB. Sự bù trừ có thể được thực hiện giữa tỉ lệ tách và khoảng cách để hỗ trợ nhiều R-ONU hơn hoặc khoảng cách dài hơn. Các triển khai tiềm năng có thể hỗ trợ quỹ suy hao tuyến cao hơn, tuy nhiên điều này sẽ làm phức tạp thêm cho việc dịch chuyển để chia sẻ ODN với các hệ thống EPON hoặc GPON. Tiêu chuẩn RFoG cũng xác định các tham số giao diện đồng trục RF tại R-ONU bao gồm các điểm tách biệt băng tần RF giữa các tín hiệu RF hướng lên và hướng xuống. Cả hai định dạng điều chế FM và AM đều được hỗ trợ trên tín hiệu hướng lên. Phần R-ONU của tiêu chuẩn RFoG bao gồm các yêu cầu về nguồn điện đầu vào hệ thống, đặc tính vật lý và môi trường cho việc sử dụng trong nhà và ngoài trời.

2.5 Tổng kết chương Mạng HFC đã được sử dụng rông rãi trong cung cấp tín hiệu truyền hình cáp. Các dịch vụ dữ liệu băng rộng có thể được cung cấp cho người dùng đầu cuối bằng việc triển khai công nghệ DOCSIS trên hạ tầng mạng HFC. Tuy nhiên vì giới hạn băng tần của cáp đồng trục nên thông lượng toàn bộ mạng có thể bị hạn chế cho cả hướng lên và hướng xuống. Các xu hướng thay đổi theo chiều sử dụng hoàn toàn sợi quang trên mạng phân phối thay cho cáp đồng trục. Một số giải pháp công nghệ theo hướng tiếp cận này cũng đã được giới thiệu trong chương.

Câu hỏi/bài tập chương 2 2-1/ Để cung cấp các dịch vụ băng rộng trên mạng HFC cần có những thay đổi gì? 2-2/ Trình bày chức năng của các phần tử trong mạng DOCSIS? 2-3/ Trình bày sự khác biệt giữa các phiên bản chuẩn DOCSIS từ 1.0 đến 3.0? 2-4/ Giải thích tại sao trong giao diện vật lý hướng lên chuẩn DOCSIS sử dụng nhiều kiểu điều chế? 2-5/ Giải thích quá trình đồng bộ hướng lên trong DOCSIS?

68

69

Chương 3 Mạng truy nhập quang thụ động

Mạng truy nhập quang thụ động PON (Passive Optical Network) được phát triển và triển khai nhanh chóng như một giải pháp cho mạng FTTx. Chương này sẽ giới thiệu những đặc điểm cơ bản nhất của mạng PON bao gồm từ kiến trúc, phương thức truyền dẫn và các thành phần cơ bản của một hệ thống PON.

3.1 Kiến trúc mạng PON 3.1.1 Mô hình tham chiếu Mạng quang thụ động PON là một hình thức truy cập mạng cáp quang FTTx, mạng kết nối thường theo kiểu Điểm - Đa điểm (P2M), các sợi quang làm cơ sở tạo kiến trúc mạng. Do vậy kiến trúc mạng PON cũng tuân theo mô hình tham chiếu mạng truy nhập quang như mô tả trong hình 3-1. Các phần tử cơ bản trong mô hình tham chiếu bao gồm: Đầu cuối đường quang (OLT – Optical Line Terminal), Đơn vị mạng quang (ONU – Optical Network Unit) hoặc Đầu cuối mạng quang (ONT – Optical Network Terminal), và Mạng phân phối quang (ODN – Optical Distribution Network). Khối OLT đặt tại phía tổng đài trung tâm của nhà cung cấp dịch vụ, khối ONU được đặt tại phía thuê bao, kết nối giữa OLT và ONU được thực hiện qua ODN. Mô hình cũng có thêm khối chức năng thích ứng (AF – Adaptive Function) để chuyển đổi định dạng phù hợp với giao tiếp các thiết bị đầu cuối dịch vụ người dùng. Ngoài ra mô hình cũng định nghĩa các điểm tham chiếu bao gồm: điểm S – điểm truy nhập quang về phía mạng (điểm phát quang), điểm R – điểm truy nhập quang về phía thiết bị (điểm thu quang), điểm tham chiếu đầu cuối thuê bao (T), điểm tham chiếu giữa các nút dịch vụ (V), điểm tham chiếu mạng quản lý (Q3). Các giao diện chính của mô hình mạng gồm có: giao diện giữa thuê bao và mạng (UNI), giao diện giữa mạng và nhà cung cấp dịch vụ (SNI), và giao diện quản lý mạng (Q3). Mô hình tham chiếu mô tả chung phần kết nối trong mạng truy nhập quang theo cả hai kiến trúc tích cực và thụ động. Đối với mạng thụ động PON, thành phần ODN chịu trách nhiệm phân phối tín hiệu giữa OLT và ONU theo hình thức thụ động tức không cần cấp nguồn. 70

Q3

Các ch?c nang qu?n lý h? th?ng m?ng truy nh?p

S/R

R/S

ONU ODN AF

Các ch?c nang nút d?ch v?

OLT

ONU (a) Ði?m tham chi?u

(T) Ði?m tham chi?u UNI Phía thuê bao

(V) Ði?m tham chi?u SNI

Phía m?ng

Hình 3-1 Mô hình tham chiếu mạng truy nhập quang

3.1.2 Kiến trúc cơ bản Đặc trưng của PON là không chứa các phần tử tích cực tồn tại trong tuyến truyền dẫn giữa nút nguồn và nút đích, mà thay vào đó là các thiết bị quang thụ động. Các phần tử thụ động của PON đều nằm trong mạng phân phối quang ODN (hay còn gọi là mạng ngoại vi) bao gồm các phần tử như sợi quang, các bộ tách/ghép quang thụ động, các đầu nối và các mối hàn quang. Sở dĩ gọi là thụ động vì các thiết bị mạng quang nằm giữa các bộ thu phát quang không phải là các thiết bị tích cực, tức là không có các thiết bị cần nguồn điện. Các thiết bị quang thụ động nằm giữa một khối thiết bị đường quang OLT đặt tại nhà cung cấp dịch vụ và các khối mạng quang ONU đặt gần thuê bao hay các hệ thống đầu cuối của hệ thống PON. Thiết bị này có nhiệm vụ điều khiển các hướng lưu lượng trên mạng giữa OLT và ONU hoặc ONT. Các tín hiệu trong PON có thể được phân ra và truyền đi theo nhiều sợi quang hoặc được kết hợp lại và truyền trên một sợi quang thông qua bộ ghép quang, phụ thuộc vào tín hiệu đó là đi theo hướng lên hay hướng xuống của PON. Kiến trúc cơ bản của PON dựa trên phương thức truyền dẫn sử dụng trên hệ thống có thể phân thành hai kiểu chính: PON ghép kênh theo thời gian (TDM-PON) và PON ghép kênh theo bước sóng (WDM-PON). Trong cả hai kiến trúc như mô tả trong hình 3-2, hệ thống phân phối tín hiệu từ OLT tới các ONU đều hoàn toàn thụ động. Một TDM-PON sử dụng một bộ chia công suất thụ động tại nút đầu xa. Cùng tín hiệu từ OLT phát quảng bá tới các ONU khác nhau bằng bộ chia công suất này. Các tín hiệu cho các ONU khác nhau được ghép trong miền thời gian. Các ONU 71

nhận ra dữ liệu của chúng thông qua các nhãn địa chỉ đi kèm trong tín hiệu. Còn một WDM-PON sử dụng một bộ ghép WDM thụ động tại nút đầu xa. Các tín hiệu cho các ONU khác nhau được mang trên các bước sóng khác nhau và được định tuyến bởi bộ ghép WDM tới ONU phù hợp. Vì mỗi ONU chỉ thu nhận bước sóng của nó, nên WDM-PON có tính bảo mật và khả năng mở rộng tốt hơn. Tuy nhiên các linh kiện WDM thường đắt hơn nhiều, do vậy làm cho WDM-PON ít hấp dẫn hơn tại giai đoạn ban đầu. Do vậy hầu hết các hệ thống PON hiện tại đều theo kiểu TDM-PON.

Hình 3-2 Kiến trúc của (a) TDM-PON, và (b) WDM-PON

Một mạng quang thụ động TDM-PON là một mạng truy nhập quang điểm-đa điểm mà không chứa phần tử tích cực trên cả toàn bộ đường truyền tín hiệu từ nguồn tới đích. Các OLT đặt tại tổng đài trung tâm kết nối mạng truy nhập quang tới mạng vùng đô thị MAN (Metropolitan area network) hoặc mạng diện rộng WAN (Wide area network). Mặt khác mỗi ONU có thể được đặt lề đường (FTTC) hoặc các tòa nhà (FTTB) hoặc sợi quang tới tận nhà (FTTH), và phân phối dịch vụ thoại, dữ liệu, dịch vụ video tới các thuê bao.

72

Hình 3-3 Các kiến trúc chia tách trong một TDM-PON: (a) Chia tách một tầng, và (b) Chia tách hai tầng, (c) Bus quang.

Kiến trúc mạng TDM-PON cụ thể liên quan đến cấu hình chia tách công suất sử dụng trên mạng. Mục đích của chia tách công suất bao gồm: (1) chia sẻ chi phí và băng thông của OLT giữa các ONU và (2) giảm chi phí cáp sợi quang trên hệ thống. Hình 3-3 cho thấy một số kiến trúc chia tách công suất cơ bản sử dụng trong TDM-PON. Ngoài kiểu chia tách một tầng đơn giản (hình 3-3a), các bộ chia tách cũng có thể được mắc nối tiếp trên hệ thống như hình 3-3b. Trong trường hợp cực đoan nhất, sợi cáp quang gốc hình thành một bus quang và các ONU được kết nối vào tại các vị trí khác nhau dọc theo tuyến thông qua các bộ chia tách nhánh 1:2 như ở hình 3-3c. Kiến trúc chia tách thực phụ thuộc vào phân bố dân cư của người dùng và chi phí để quản lý nhiều bộ chia tách. Từ quan điểm quản lý, nó thực sự đơn giản hơn với kiến trúc một bộ chia tách đơn cho việc phân phối tín hiệu cái làm cho việc hàn nối dễ dàng hơn và giảm tối thiểu các tổn hao hàn nối và connector. Trong kiến trúc kiểu bus, nếu tất cả các bộ chia tách có cùng tỉ lệ tách công suất thì ONU xa nhất sẽ chịu tổn hao chia tách và truyền dẫn nhiều nhất và trở thành điểm nút cổ chai của hệ thống. Các bộ chia tách có tỉ lệ tách không đều có thể được sử dụng để cải thiện toàn bộ quỹ công suất hệ thống. Tuy nhiên, việc tối ưu hóa như vậy đòi hỏi

73

các bộ chia tách không đều và do đó khó quản lý. Vì vậy cấu hình mạng TDM-PON được sử dụng phổ biến nhất là cấu hình cây.

3.1.3 Truyền dẫn hai chiều trong TDM-PON Các hệ thống thông tin quang thông thường sử dụng hai sợi quang riêng biệt cho liên lạc hai chiều. Đây là tiếp cận hai sợi hoặc gọi là song công phân chia theo không gian. Phương pháp này rõ ràng không yêu cầu tách biệt các tín hiệu hướng lên và hướng xuống trong miền thời gian, tần số hoặc bước sóng và đơn giản để triển khai. Trong hệ thống TDM-PON, tiếp cận hai sợi đòi hỏi hai bộ chia tách công suất quang trên hệ thống, còn trong hệ thống WDM-PON có thể cần sử dụng một hoặc hai bộ ghép WDM trên hệ thống. Thường đối với các PON chia công suất trên hai sợi, bước sóng 1,3 m được sử dụng cho cả truyền dẫn hướng lên và hướng xuống vì các laser F-P chi phí thấp sẵn có ở bước sóng này và chúng có thể được sử dụng mà không lo lắng về ảnh hưởng của tán sắc. Mặc dù tính đơn giản của nó, nhưng vì đòi hỏi thêm sợi và cần thiết để kết cuối và quản lý một bộ chia thứ hai, nên giải pháp hai sợi chi phí cao hơn các giải pháp một sợi theo cả hai quan điểm chi phí và vận hành. Một tiếp cận khác là sử dụng chỉ một sợi quang cho cả hai kết nối hướng lên và hướng xuống. Một coupler định hướng 3dB đơn giản được sử dụng tại OLT và ONU để phân tách tín hiệu quang hướng lên và hướng xuống như trong hình …. Vấn đề của tiếp cận này là các couplẻ 3 dB gây ra một sự tổn hao tín hiệu cỡ 3,5 dB trên mỗi đầu tuyến truyền dẫn và suy giảm quỹ công suất. Hơn nữa, tín hiệu phát có thể bị tán xạ trong bộ thu cục bộ như xuyên âm đầu gần (NEXT) như mô tả ở hình …Khi cường độ tín hiệu hướng xuống thu được bị sụt giảm bởi coupler quang tại RT và công suất bộ phát cục bộ thường sẽ cao, NEXT đặ ra yêu cầu nghiêm ngặt về điều khiển sự phản xạ. Thêm nữa, nếu các bước sóng ONU và OLT xảy ra rất sát nhau thì NEXT sẽ sinh ra xuyên âm kết hợp làm cho nguy hại hơn. Trong tiếp cận song công phân chia thời gian, OLT và ONU tuần tự sử dụng sợi quang theo kiểu luân phiên cho truyền dẫn hướng lên và hướng xuống. Tương tự tiếp cận song công một sợi đơn bước sóng, các coupler định hướng được sử dụng tại OLT và các ONU để tách biệt các tín hiệu quang hướng lên và hướng xuống. Ảnh hướng NEXT được tránh bằng việc tách tín hiệu hướng lên và hướng xuống theo thời gian với giá phải trả là giảm thông lượng toàn bộ hệ thống khoảng 50%. OLT 74

điều phối các khe thời gian gán cho truyền dẫn hướng lên và hướng xuống. Các bộ thu kiểu burst được yêu cầu tại cả hai OLT và ONU.

Hình 3-4 (a) Truyền dẫn song hướng đơn bước sóng trên một sợi, và (b) Xuyên âm đầu gần (NEXT).

Phương pháp ghép song công phân chia theo bước sóng phân tách các tín hiệu truyền dẫn hướng lên và hướng xuống bằng việc sử dụng các bước sóng khác nhau. Để dễ dàng điều khiển bước sóng, một chế độ ghép song công bước sóng 1,3/1,5 m được chọn để tách biệt các tín hiệu hướng lên và hướng xuống. Cửa sổ tại mỗi bước sóng được tạo đủ lớn để không cần điều khiển nhiệt độ để ổn định các bước sóng đầu ra laser.

Hình 3-5 Ghép song công phân chia theo bước sóng trên một sợi.

Một trong các ưu điểm của ghép song công phân chia bước sóng là ánh sáng hướng xuống bị phản xạ từ các cổng bộ chia tách cũng được lọc bởi bộ ghép song công tại OLT. Điều này giảm các yêu cầu phản xạ connector tại bộ chia công suất nút đầu xa. Trong suốt giai đoạn sử dụng ban đầu của một hệ thống PON, hầu hết 75

các cổng đầu ra bộ chia công suất có thể không sử dụng. Không có bộ ghép song công bước sóng thì có thể sinh ra nhiều nhiễu giao thoa không mong muốn tới tín hiệu hướng lên thu được tại OLT nếu các connector này không được kết cuối phù hợp. Do vậy các hệ thống TDM-PON đều sử dụng chế độ truyền dẫn ghép song công theo bước sóng trên một sợi quang cho truyền dẫn hai chiều.

Hình 3-6 Kiến trúc của (a) TDM-PON, và (b) WDM-PON

Hình 3-6 cho thấy kiến trúc mạng TDM-PON tiêu chuẩn hiện nay. Trong cấu trúc này, một OLT được kết nối với các ONU thông qua bộ chia tách 1:N. Khoảng cách truyền dẫn lớn nhất bao phủ thường là 10 – 20 km. Lưu lượng hướng lên từ ONU được mang trên bước sóng 1,3 m và lưu lượng hướng xuống từ OLT trên bước sóng 1,49 m. Một ONU có một hoặc nhiều cổng cho kết nối thoại và dữ liệu (10/100BASE-T Ethernet). Các kết nối thoại có thể là các cổng T1/E1 cho khách hàng doanh nghiệp và POTS cho người dùng cá nhân. Nhiều OLT trong CO được liên kết với một chuyển mạch hoặc kết nối chéo kết nối với mạng đường trục. Các OLT thường được xây dựng như các card đường truyền lắp trên một giá thiết bị. Khung giá thiết bị này cũng có thể lắp chuyển mạch/kết nối chéo và cung cấp liên kết với các OLT thông qua tấm mạch tốc độ cao.

76

Hình 3-7 Hoạt động ghép kênh theo thời gian hướng xuống.

Trong truyền dẫn hướng xuống, OLT sử dụng ghép kênh theo thời gian (TDM) để kết hợp các luồng dữ liệu và thoại định cho người dùng trên PON. Như một ví dụ đơn giản, nếu có N luồng thông tin độc lập tới OLT, mỗi luồng chạy ở tốc độ R bit/s, thì chế độ TDM ghép xen trong miền điện thành một luồng chung hoạt động ở tốc độ cao hơn cỡ NxR bit/s. Tín hiệu được ghép hướng xuống được phát quảng bá tới tất cả các ONU. Mỗi ONU sẽ loại bỏ hoặc thu nhận các gói thông tin đi tới phụ thuộc vào địa chỉ tiêu đề gói. Mã hóa mật có thể cần thiết để đảm bảo bảo mật người dùng. Truyền lưu lượng hướng lên phức tạp hơn vì tất cả người dùng phải chia sẻ thời gian trên cùng bước sóng. Hệ thống TDM-PON sử dụng giao thức đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA để tránh xung đột giữa truyền dẫn của người dùng khác nhau. OLT điều khiển và điều phối lưu lượng từ mỗi ONU bằng việc gửi sự cho phép cho chúng để phát trên một khe thời gian xác định. Các khe thời gian được đồng bộ để các burst truyền dẫn từ người dùng khác nhau không xung đột nhau. Vì mỗi đầu cuối được đặt tại các khoảng cách khác nhau tính từ CO, nên OLT sử dụng kỹ thuật định cỡ khoảng cách để đo khoảng cách logic giữa người dùng và OLT. Kỹ thuật này cho phép mỗi ONU điều chỉnh định thời truyền dẫn của nó một cách thích hợp để tránh xung đột lưu lượng.

77

Hình 3-8 Hoạt động giao thức đa truy nhập phân chia theo thời gian

3.1.4 Truyền dẫn xếp chồng tín hiệu truyền hình cáp tương tự Bổ sung thêm vào phân phối dữ liệu băng rộng, phân phối tín hiệu truyền hình cũng đã được xem xét như là dịch vụ PON cơ bản. Các dịch vụ truyền hình cáp tương tự đã được phân phối sử dụng bước sóng 1550 m trong hệ thống HFC trong một thời gian dài. Mặc một số hạn chế của nó, việc truyền quảng bá một chiều tín hiệu video tương tự là một phương pháp đơn giản và hiệu quả để phân phối các dịch vụ video tới một lượng lớn người dùng.

Hình 3-9 Xếp chồng các dịch vụ TV tương tự trên hệ thống PON

Một phương pháp nhanh và dễ dàng để cung cấp dịch vụ TV trên TDM-PON là phát quảng bá trực tiếp tín hiệu truyền hình tương tự tới người dùng đầu cuối trên bước sóng 1550 nm nhờ sử dụng thêm một bộ ghép bước sóng. Như chỉ ra ở hình 39, bước sóng 1550 nm có thể được khuếch đại bằng một EDFA tại CO để phát 78

quảng bá tới nhiều hệ thống PON để thực hiện chia sẻ tốt hơn các tài nguyên TV tương tự. Tín hiệu TV tương tự được tách tại ONU và chuyển đổi thành tín hiệu RF thông thường trên cáp đồng trục nhờ sử dụng một STB, cái cung cấp chức năng chuyển đổi OE đơn giản. Trong thực tế chức năng chuyển đổi tương tự được thực hiện ở ONU cung cấp một giao diện cáp đồng trục 75 . Hơn nữa, một bộ ghép tam công 1,3/1,49/1,55 m được sử dụng thay cho hai bộ ghép song công nối tiếp như trong hình 3-9. Một vấn đề tiềm năng trong cấu hình như vậy là sự suy giảm các tín hiệu sóng mang con TV tương tự trên bước sóng 1550 nm bởi tín hiệu số hướng xuống 1490 nm, cái hoạt động như một nguồn bơm Raman đối với tín hiệu tương tự 1550 nm. Vì bước sóng hướng xuống bị điều biến nên nó làm suy giảm tỉ số sóng mang trên tạp âm (CNR) của tín hiệu tương tự đặc biệt đối với các kênh sóng mang con tần số thấp. Trong vài năm trước, các dịch vụ số và IPTV theo yêu cầu tăng trưởng nhanh chóng và thay thế dần các dịch vụ TV tương tự truyền thống. Xu hướng hiện tại là tận dụng ưu điểm của mạng IP hội tụ và công nghệ Ethernet chi phí thấp để mã hóa các tín hiệu TV thành các gói MPEG/IP/Ethernet. Xu hướng này thúc đẩy sự hợp nhất mạng phân phối TV với các mạng dữ liệu, cái không chỉ giảm vốn đầu tư CAPEX mà còn đơn giản hóa quản lý mạng. Ở nhiều nước hiện nay, các MSO đã và đang cho dừng các dịch vụ tương tự. Bằng cách điều khiển QoS thích hợp, các dịch vụ IPTV số được phân phối hiệu quả chi phí hơn nhiều thông qua kênh dữ liệu. Kỹ thuật xếp chồng tương tự 1550 nm trong thực tế không phổ biến trên các mạng PON vì một số lí do: -

Bộ ghép tam công và bộ thu RF làm tăng chi phí ONU.

-

Dịch vụ tương tự xếp chồng tạo ra các phức tạp quản lý bổ sung. Các MSO có thể tận dụng ưu điểm của hệ thống HFC đã được phát triển và đang sử dụng của họ. Tuy nhiên, đối với các nhà mạng viễn thông đang thâm nhập vào thị trường đa dịch vụ triple-play, nó sẽ tốt hơn nhiều để nhảy thẳng tới công nghệ IPTV số vì họ không phải bận tâm đến các hệ thống phân phối TV tương tự.

-

Các quy định khung pháp lí trên thế giới hiện nay không còn hỗ trợ cho quảng bá TV tương tự nữa mà thay thế bằng các dịch vụ số.

79

3.2 Các thành phần PON tích cực Trong mạng PON các thành phần tích cực là những thiết bị đặt tại hai đầu cuối của hệ thống đòi hỏi cần cấp nguồn để hoạt động. Các thành phần này bao gồm OLT tai CO và các ONU/ONT tại phía người dùng.

3.2.1 Khối OLT Khối đầu cuối đường quang OLT đặt tại CO phía nhà cung cấp dịch vụ cung cấp giao diện quang phía mạng phân phối và ít nhất một giao diện phía mạng dịch vụ tùy theo loại dịch vụ cung cấp. Sơ đồ khối cấu trúc tổng quat khối OLT được mô tả trong hình 3-10. Một OLT bao gồm các lớp thành phần chính: lớp thích ứng dịch vụ, lớp kết nối chéo, lớp MAC và lớp phụ thuộc môi trường vật lý PMD. Lớp PMD bao gồm bộ thu phát quang và bộ ghép song công WDM. Lớp MAC thực hiện lập lịch quyền cho phép sử dụng môi trường vật lý, do đó tránh được nghẽn hay xung đột trên tuyến sợi chia sẻ giữa các ONU khác nhau. Trong một hệ thống PON, lớp MAC tại OLT đóng vai trò điều khiển. OLT xác định thời điểm bắt đầu và kết thúc mà một ONU cụ thể được phép truyền phát. Một OLT có thể có nhiều lớp MAC và PMD do đó nó có thể được kết nối với nhiều hệ thống PON. Lớp kết nối chéo trong OLT cung cấp chức năng kết nối và chuyển mạch giữa các hệ thống PON, các ONU khác nhau và mạng trục. Lớp thích ứng dịch vụ trong một OLT cung cấp chức năng chuyển đổi giữa các định dạng tín hiệu mạng trục và các tín hiệu trên PON. Giao tiếp từ một OLT tới mạng trục được gọi là giao diện mạng dịch vụ (SNI).

80

Hình 3-10 Sơ đồ cấu trúc tổng quát thiết bị đầu cuối đường quang OLT.

3.2.2 Khối ONU/ONT Khối đơn vị mạng quang ONU hoặc đầu cuối mạng quang ONT được đặt tại phía thuê bao cung cấp một kết nối quang trên hệ thống PON và giao diện điện với thiết bị đầu cuối khách hàng. ONU có thể hỗ trợ nhiều loại dịch vụ khác nhau bao gồm dịch vụ Ethernet, các kết nối thoại T1/E1, DS3/E3, các giao diện ATM và các định dạng video tương tự và số. Sơ đồ cấu trúc tổng quát một ONU/ONT được cho thấy trong hình 3-11. Một ONU cung cấp kết nối tới OLT trong hệ thống PON thông qua các lớp MSC và PMD ONU. Lớp thích ứng dịch vụ trong ONU cũng cung cấp chức năng chuyển đổi giữa định dạng tín hiệu yêu cầu cho kết nối thiết bị thuê bao và định dạng tín hiệu PON. Giao tiếp từ một ONU với thiết bị mạng khách hàng được gọi là giao tiếp mạng người dùng (UNI). Phần MUX/DEMUX dịch vụ cung cấp chức năng ghép kênh cho các giao tiếp khách hàng khác nhau. Thông thường, nhiều UNI sẵn có từ một ONU cho các kiểu dịch vụ khác nhau. Mỗi UNI có thể hỗ trợ một định dạng tín hiệu khác nhau và đòi hỏi lớp thích ứng dịch vụ tương ứng. Lớp PMD của ONU tương tự như của OLT. Lớp MAC tại ONU đóng vai trò khách phụ thuộc sự quản lý và điều khiển của OLT.

Hình 3-11 Sơ đồ cấu trúc tổng quát ONU/ONT

Đôi khi sự phân biệt giữa ONU và ONT chỉ là vị trí lắp đặt thiết bị, còn về chức năng hoạt động thì tương tự nhau. ONT thường được đặt trong nhà trực tiếp tại cơ sở của khách hàng. Nhiều kiểu thiết kế và cấu hình giá máy thiết bị ONT sẵn có để đáp ứng các mức nhu cầu khác nhau. Kích thước của một ONT có thể từ phạm vi một hộp đơn giản được gắn bên ngoài nhà tới khối thiết bị phức tạp lắp 81

trong một khung giá tiêu chuẩn sử dụng trong các tòa nhà hay văn phòng. Một ONU thường lắp đặt ngoài trời. Do vậy ONU đòi hỏi các tủ bảo vệ cần đảm bảo để ONU hoạt động trong các điều kiện môi trường thay đổi khác nhau.

3.3 Các thành phần thụ động Các thành phần thụ động được mô tả ở đây cho hệ thống PON bao gồm các bộ ghép lựa chọn bước sóng, bộ chia tách công suất, connector quang, hàn nối và cáp quang.

3.3.1 Bộ ghép WDM Một thành phần WDM cơ bản là bộ ghép bước sóng kết hợp các luồng tín hiệu trên các bước sóng khác nhau truyền trên cùng một sợi quang. Hệ thống PON sử dụng kỹ thuật ghép bước sóng mật độ thấp (thưa) với ba bước sóng cụ thể để mang các tín hiệu quang cho các kiểu dịch vụ khác nhau. Các bước sóng này là 1310 nm, 1490 nm và 1550 nm. Để kết hợp hoặc phân tách các bước sóng này thành các kênh thu hoặc phát khác nhau thì coupler lựa chọn bước sóng được sử dụng có thể là coupler 1x2 hoặc 1x3. Hai công nghệ sử dụng để chế tạo bộ ghép bước sóng cho hệ thống PON là các bộ lọc màng mỏng và cách tử nhiễu xạ truyền qua. Lưu ý rằng các thiết kế đóng gói đặc biệt có thể làm cho các linh kiện này không phụ thuộc nhiệt độ, do đó không cần điều khiển tích cực nhiệt độ để duy trì độ ổn định. a. B lọc màng mỏng Một bộ lọc màng mỏng (TFF) là một bộ lọc thông dải quang, nó cho phép một băng tần bước sóng cụ thể đi qua và phản xạ tất các ánh sáng khác. Phụ thuộc vào thiết kế TFF, dải băng thông này có thể chỉ hẹp cỡ 50 GHz (hoặc tương đương băng tần phổ 0,5 dB cỡ 0,2 nm tại bước sóng 1550 nm). Thay vào đó, một TFF có thể được sử dụng như một bộ chia tách băng để phân tách hai vùng bước sóng. Đối với hệ thống PON, kiểu bộ ghép này cung cấp một độ cách ly cao (> 45 dB) giữa kênh hướng lên 1310 nm và các kênh hướng xuống 1410 và 1550 nm (Hình 3-12). Hình 3-13 mô tả ví dụ hoạt động của bộ ghép tại ONU. Ở đây tín hiệu hướng lên 1310 nm đi vào cổng truyền qua bên trái và đi ra cổng chung phía bên phải kết nối với sợi quang, các tín hiệu tại 1490 và 1550 nm đi vào từ cổng chung bị phản xạ trong bộ ghép và đi ra khỏi cổng phản xạ bên phải.

82

Hình 3-12 Đặc tính hàm truyền công suất của bộ ghép/tách bước sóng

Cơ sở nguyên lý của linh kiện TFF tương tự như cấu trúc hộp cộng hưởng Fabry-Perot (F-P). Đối với một TFF, hộp cộng hưởng được hình thành bởi hai bề mặt phản xạ song song trên các mặt đối diện của một màng mỏng điện môi như mô tả trong hình 3-14. Cấu trúc này được gọi hoặc là bộ giao thoa F-P hoặc là etalon. Xét một ánh sáng tín hiệu đi vào bề mặt bên trái của etalon, sau khi ánh sáng đi qua hộp cộng hưởng và chạm vào bề mặt bên trong bên phải, một phần ánh sáng rời khỏi hộp cộng hưởng và một phần bị phản xạ. Lượng ánh sáng bị phản xạ phụ thuộc vào hệ số phản xạ R của bề mặt. Nếu khoảng cách lộ trình giữa hai gương là một số nguyên lần bước sóng  thì tất cả phần ánh sáng tại các bước sóng này đi qua bề mặt bên phải được kết hợp đồng pha, tức giao thoa cộng hưởng tại chùm đầu ra. Các bước sóng như vậy được gọi là các bước sóng cộng hưởng của hộp cộng hưởng. Etalon sẽ phản xạ tất cả các bước sóng khác.

Hình 3-13 Hoạt động của một bộ tách băng sóng tại ONU

83

Hình 3-14 Cấu trúc bộ giao thoa Fabry-Perot hay etalon.

Hàm truyền T của một etalon lí tưởng trong đó không có sự hấp thụ ánh sáng bởi các gương là một hàm Airy xác định bởi:

(3.1) trong đó R là hệ số phản xạ của gương,  là độ dịch pha một lộ trình của chùm sáng. Nếu bỏ qua sự dịch pha tại bề mặt gương, thì độ dịch pha đối với một bước sóng  là (3.2) trong đó n là chiết suất của lớp điện môi hình thành gương, D là khoảng cách giữa các gương, và  là góc tới của chùm sáng.

Hình 3-15 Đặc tính hàm truyền (hàm Airy) của bộ lọc TFF.

84

Hình 3-15 biểu diễn đồ thị tổng quát của biểu thức (3.1) trong phạm vi 33. Vì  tỉ lệ với tần số f = 2/ nên đồ thị cho thấy tính tuần hoàn theo f của hàm truyền T. Các đỉnh gọi là băng thông xảy ra tại các bước sóng thỏa mãn điều kiện N = 2nD với N là số nguyên. Như vậy đối với một bước sóng đơn để được lựa chọn bởi bộ lọc từ một dải phổ cụ thể thì tất cả các bước sóng phải nằm giữa hai dải thông liên tiếp của hàm truyền. Nếu một vài bước sóng nằm ngoài dải này thì bộ lọc sẽ truyền qua một vài bước sóng. Khoảng cách giữa hai đỉnh phổ lân cận gọi là dải phổ tự do (FSR) và được xác định:

(3.3) Một tham số quan trọng khác là đại lượng độ rộng băng thông tại nửa cực đại (FWHM). Tỉ lệ FSR/FWHM cho ước tính gần đúng số lượng bước sóng mà bộ lọc có thể xử lý. Tỉ lệ này gọi là độ mịn F của bộ lọc và được xác định:

(3.4) Một TFF điển hình gồm các lớp bọc màng mỏng đa lớp có vật liệu chiết suất cao và thấp đan xen luân phiên như SiO2 và Ta2O5 như mô tả ở hình 3-1.. Các lớp thường được tráng trên một đế thủy tinh. Mỗi lớp điện môi hoạt động như một bề mặt phản xạ không hấp thụ, do đó cấu trúc là một chuỗi các hộp cộng hưởng. Khi số lượng các hộp cộng hưởng tăng lên, dải thông của bộ lọc dốc hơn để tạo ra đỉnh phẳng, một đặc tính mong muốn cho một bộ lọc thực tế. Trong hình 3-16, bộ lọc được chế tạo để nếu phổ đầu vào chứa các bước sóng 1 đến N thì chỉ k đi qua bộ lọc còn tất cả các bước sóng khác bị phản xạ. Khi tách nhiều kênh bước sóng khác nhau các bộ lọc TFF có thể kết nối nối tiếp để tách lần lượt từng kênh. Các bộ lọc màng mỏng sẵn có cho một dải rộng băng thông từ 50 tới 800 GHz hay cao hơn cho các kênh khoảng cách lớn.

85

Hình 3-16 Mô hình Simulink để giải phương trình vi phân (3.1)

b. Cách tử nhiễu x truyền qua Một cách tử nhiễu xạ là một linh kiện quang quen thuộc để phân tách theo không gian các bước sóng khác nhau trong cùng chùm sáng. Linh kiện này bao gồm một tập các phần tử nhiễu xạ như các khe hoặc rãnh hẹp song song có chu kì cỡ bậc bước sóng ánh sáng. Các phần tử nhiễu xạ này có thể hoặc là phản xạ hoặc là truyền qua, do đó hình thành cách tử phản xạ hay cách tử truyền qua tương ứng. Việc phần tách và kết hợp các bước sóng trong cách tử nhiễu xạ là một quá trình song song, ngược với quá trình nối tiếp sử dụng trong TFF. Một cách tử nhiễu xạ có xuyên âm kênh lân cận rất thấp thường nhỏ hơn 30 dB, Tổn hao xen điển hình nhỏ hơn 3 dB và độ đồng đều trong phạm vi 1 dB trên số lượng lớn kênh bước sóng. Một dải thông cỡ 30 GHz ở mức gợn sóng 1 dB trở thành tiêu chuẩn.

Hình 3-17 Cấu trúc của một bộ cách tử nhiễu xạ truyền qua.

Nguyên lý hoạt động của một cách tử truyền qua như là cách tử pha được mô tả trong hình 3-17. Đặc tính chính là nó bao gồm các biến đổi tuần hoàn chiết suất của cách tử có chu kỳ . Khi phổ của các sóng phẳng đi vào cách tử tại một góc i, từng các bước sóng k trong phổ sẽ đi ra khỏi cách tử tại các góc lệch e(k) khác nhau. Các góc này được xác định bởi phương trình cách tử (3.5) trong đó q là bậc nhiễu xạ của cách tử. Thường chỉ bậc một (q = - 1) được xem xét. Nếu góc i nhỏ, đó là khi bước sóng 