Tìm hiểu về công nghệ GPON

GPON (Gigabit Passive Optical Network – Mạng quang thụ động Gigabit) là giải pháp thay thế cho chuyển mạch Ethernet truyền thống trong mạng doanh nghiệp/trường học. Thay vì dùng kiến trúc Ethernet 3 tầng (Access – Distribution – Core), GPON chuyển sang kiến trúc quang 2 tầng, loại bỏ các switch Ethernet ở tầng Access và Distribution, thay bằng các thiết bị quang thụ động (không cần cấp nguồn). Cisco đã đưa công nghệ này vào dòng sản phẩm Catalyst GPON Switch.

1. Các thuật ngữ cơ bản trong mạng GPON

Sơ đồ hệ thống:

Tổng quan về công nghệ:

Nguyên lý hoạt động cơ bản:

1. OLT kết nối tới bộ chia quang (splitter) qua một sợi quang duy nhất.
2. Bộ chia quang kết nối tới các ONU/ONT.
3. GPON dùng WDM để truyền dữ liệu 2 chiều (lên/xuống) trên cùng một sợi ODN:
   • Hướng lên (upstream): bước sóng 1290–1330 nm
   • Hướng xuống (downstream): bước sóng 1480–1500 nm
4. Hướng xuống truyền liên tục; hướng lên hoạt động theo chế độ TDMA (chia khe thời gian).
5. Mô hình truyền dẫn: điểm - đa điểm (P2MP).

2. Giới hạn kỹ thuật của GPON

3. Ngân sách năng lượng (Power Budget)

Khi triển khai GPON, cần tính toán suy hao (mất năng lượng quang) phát sinh từ nhiều nguyên nhân:

1. Tổn thất tại bộ chia (splitter).
2. Suy hao trên mỗi km sợi quang: khoảng 0.35 dB/km ở bước sóng 1310 và 1490 nm.
3. Suy hao tại mối nối: > 0.2 dB.
4. Suy hao do uốn cong sợi quang

Mức suy hao đường quang tối thiểu/tối đa theo từng class (lớp công suất):

4. Cách truyền gói tin trong GPON

4.1. Đường xuống – Downstream (từ OLT đến ONT)

Mẹo hiểu sơ đồ: Đứng ở góc nhìn bộ chia (splitter), luồng downstream là chiều đi về phía ONU/ONT (người dùng cuối).

Đặc điểm:

• Dữ liệu được broadcast tới tất cả ONU/ONT; mỗi ONU chỉ nhận đúng phần dữ liệu của mình nhờ ID cổng GEM và ID ONU.
• Bước sóng: 1480–1500 nm.
• Truyền liên tục (kể cả khi không có traffic thật, tia laser vẫn phát tín hiệu, trừ khi bị tắt).

Quy trình xử lý:

1. OLT nhận khung Ethernet từ cổng uplink, áp dụng luật đã cấu hình cho cổng PON.
2. Module xử lý dịch vụ GPON đóng gói khung Ethernet vào gói dữ liệu cổng GEM để truyền xuống.
3. Khung GTC (GPON Transmission Convergence) chứa các GEM PDU, được gửi tới tất cả ONT/ONU trên cổng GPON.
4. ONT/ONU lọc dữ liệu dựa trên ID cổng GEM, chỉ giữ lại phần dữ liệu thuộc về mình.
5. ONT giải mã và chuyển khung Ethernet tới người dùng cuối qua cổng dịch vụ.

Cấu trúc khung downstream:

Khung GPON hướng xuống có độ dài cố định 125 µs, gồm 2 phần: PCBd (khối điều khiển vật lý) và Payload (tải trọng). PCBd gồm tiêu đề GTC và trường BWmap.

• Tiêu đề GTC: dùng để phân định khung, đồng bộ thời gian, sửa lỗi FEC.
• BWmap: thông báo cho ONU về việc phân bổ băng thông ngược dòng — chỉ định khoảng thời gian bắt đầu/kết thúc cho từng T-CONT, tránh xung đột dữ liệu

Các trường quan trọng trong PCBd:

4.2. Đường lên – Upstream (từ ONT đến OLT)

Mẹo hiểu sơ đồ: Ở góc nhìn bộ chia, upstream là chiều đi từ ONU/ONT (người dùng) về OLT.

Đặc điểm:

• Truyền qua TDMA: OLT đo khoảng cách tới từng ONT/ONU, cấp khe thời gian phù hợp để tránh xung đột.
• DBA (Dynamic Bandwidth Allocation) cho phép OLT giám sát tắc nghẽn, mức sử dụng băng thông theo thời gian thực, đồng thời phát hiện/ngăn va chạm.
• Bước sóng: 1290–1330 nm.

Quy trình xử lý:

1. ONT/ONU gửi khung Ethernet vào cổng GEM theo luật ánh xạ cổng dịch vụ ↔ cổng GEM.
2. Cổng GEM đóng gói khung Ethernet thành GEM PDU, đưa vào hàng đợi TCONT theo luật gán cổng GEM ↔ TCONT.
3. Hàng đợi TCONT dùng khe thời gian được DBA cấp để truyền GEM PDU lên OLT.
4. OLT giải mã GEM PDU, khôi phục khung Ethernet gốc.
5. OLT gửi khung Ethernet ra cổng uplink theo luật gán cổng dịch vụ ↔ cổng uplink.

Cấu trúc khung upstream:

Mỗi khung GPON hướng lên cũng có thời lượng cố định 125 µs, chứa dữ liệu từ một hoặc nhiều T-CONT. Tất cả ONU chia sẻ băng thông upstream và gửi dữ liệu trong khe thời gian được BWmap chỉ định. OLT dùng DBA để cấp phát khe thời gian và cập nhật liên tục theo từng khung.

Lưu ý: Khung upstream được gửi dạng cụm (burst), gồm phần mào đầu lớp vật lý (PLOu) và một hoặc nhiều khe băng thông gắn với Alloc-ID cụ thể

Các trường quan trọng trong khung upstream:

5. Các khối chức năng của GPON

5.1. Khối chức năng OLT

OLT gồm 3 phần chính:

1. Chức năng giao diện cổng dịch vụ: chuyển đổi giữa giao diện dịch vụ và giao diện khung TC của PON.
2. Chức năng kết nối chéo (cross-connect): tạo đường giao tiếp giữa PON shell và service shell.
3. Giao diện mạng phân phối quang (ODN), chia thành:
   • Chức năng giao diện PON
   • Chức năng PON TC: căn chỉnh khung, kiểm soát truy cập phương tiện, phân định OAM, DBA, PDU cho kết nối và quản lý ONU

5.2. Khối chức năng ONU/ONT

Về cơ bản tương tự OLT. Với ONU/ONT chỉ có một giao diện PON (tối đa 2 nếu dùng cho mục đích bảo vệ/dự phòng), chức năng cross-connect được bỏ qua; thay vào đó dịch vụ MUX/DEMUX đảm nhận việc xử lý lưu lượng.

5.3. Giao thức xếp chồng (Protocol Stack)

GPON có ngăn xếp giao thức riêng, không chỉ đơn thuần là Ethernet hay IP:

• Lớp PMD: tương ứng với các giao diện vật lý GPON giữa OLT và ONU.
• Lớp GTC: đóng gói tải trọng bằng ô ATM hoặc khung GEM (khung GEM có thể mang Ethernet, POTS, E1, T1).

Ánh xạ lưu lượng Ethernet:

1. Phân giải khung Ethernet, ánh xạ trực tiếp dữ liệu vào tải trọng GEM.
2. Khung GEM tự động đóng gói thông tin tiêu đề.
3. Tỷ lệ ánh xạ 1:1 giữa khung Ethernet và khung GEM.

5.4. OMCI (ONU Management and Control Interface)

Thông điệp OMCI dùng để khám phá, quản lý và điều khiển ONT/ONU, được gửi qua các cổng GEM riêng thiết lập giữa OLT và ONT/ONU.

OMCI cho phép OLT:

1. Thiết lập và giải phóng kết nối với ONT.
2. Quản lý các UNI (giao diện người dùng) trong ONT.
3. Truy vấn thông tin cấu hình và thống kê hiệu năng.
4. Cảnh báo tự động khi có sự cố (ví dụ: lỗi liên kết).

Đặc điểm chính:

• Chạy qua kết nối GEM giữa OLT và ONT.
• Kết nối GEM được thiết lập ngay khi ONT khởi tạo.
• Hoạt động không đồng bộ: OLT đóng vai trò master, ONT đóng vai trò slave.

6. Các kỹ thuật quan trọng trong GPON

6.1. Ranging (Xếp hạng khoảng cách)

Để tránh xung đột dữ liệu, OLT cần đo chính xác khoảng cách tới từng ONU/ONT nhằm cấp khe thời gian phù hợp cho việc gửi dữ liệu ngược dòng. Kỹ thuật này gọi là Ranging.

Quy trình:

1. OLT khởi động quá trình khi ONU đăng ký lần đầu, nhận RTD (Round Trip Delay – độ trễ khứ hồi) từ ONU.
2. Dựa trên RTD, OLT tính EqD (Equalization Delay – độ trễ cân bằng) phù hợp cho từng ONU theo khoảng cách vật lý.
3. RTD và EqD giúp đồng bộ hóa khung dữ liệu từ tất cả ONU, đưa chúng về cùng một "khoảng cách ảo" so với OLT.

6.2. Truyền dẫn dạng cụm (Burst Mode)

• Luồng upstream được truyền theo cụm (burst); mỗi ONU/ONT chỉ truyền trong khe thời gian được cấp.
• Ngoài khe thời gian của mình, ONU/ONT tắt bộ phát quang để tránh gây nhiễu ONU khác.
• Chức năng phát liên tục do module ONU/ONT hỗ trợ; chức năng thu liên tục do module OLT hỗ trợ.
• Khoảng cách khác nhau giữa các ONU và OLT gây suy hao khác nhau → OLT cần điều chỉnh ngưỡng động để phục hồi tín hiệu từ mọi ONU.

6.3. Phân bổ băng thông động (DBA – Dynamic Bandwidth Allocation)

DBA cho phép OLT giám sát tắc nghẽn mạng PON theo thời gian thực, điều chỉnh băng thông dựa trên mức sử dụng và cấu hình.

Cách hoạt động:

• Module DBA (tích hợp trong OLT) liên tục thu thập báo cáo DBA, tính toán và thông báo cho ONU qua trường BWMap trong khung downstream.
• ONU gửi dữ liệu upstream trong khe thời gian được cấp theo thông tin BWMap.
• Băng thông cũng có thể cấp phát ở chế độ tĩnh/cố định.

Lợi ích của DBA:

1. Cải thiện hiệu suất sử dụng băng thông ngược dòng trên cổng PON.
2. Cung cấp băng thông cao hơn cho người dùng, hỗ trợ nhiều người dùng hơn trên một cổng PON.

6.4. FEC – Forward Error Correction (Sửa lỗi chuyển tiếp)

Truyền tín hiệu số có thể phát sinh lỗi bit; GPON dùng FEC để đầu thu tự kiểm tra và sửa lỗi trong quá trình truyền.

Lưu ý: FEC chỉ hoạt động một chiều, không hỗ trợ phản hồi thông tin lỗi.

Đặc điểm chính của FEC:

1. Không cần truyền lại dữ liệu.
2. Chỉ hỗ trợ FEC theo hướng downstream.
3. Cải thiện chất lượng truyền dẫn PCBd và xử lý tải trọng.

6.5. Mã hóa đường truyền (Line Encryption)

Vì dữ liệu downstream được gửi (broadcast) tới tất cả ONU, có rủi ro truy cập trái phép. Để khắc phục, GPON dùng thuật toán AES-128 để mã hóa gói dữ liệu.

Đặc điểm chính:

• Không làm tăng chi phí hay giảm hiệu suất sử dụng băng thông.
• Không làm tăng độ trễ đường truyền.

Quy trình trao đổi và chuyển đổi khóa:

1. OLT gửi yêu cầu trao đổi khóa tới ONU.
2. ONU phản hồi bằng một khóa mới.
3. OLT dùng khóa mới để mã hóa dữ liệu, đồng thời gửi số khung bắt đầu áp dụng khóa mới cho ONU.
4. ONU nhận số khung, chuyển sang dùng khóa mới để xác minh các khung dữ liệu tiếp theo.

7. Các chế độ bảo vệ mạng (Network Protection) trong GPON

7.1. Type A

• Không cần thêm cổng OLT PON.
• Khi sợi chính (primary) lỗi, dịch vụ chuyển sang sợi phụ (secondary).
• Thời gian gián đoạn phụ thuộc vào thời gian khôi phục đường truyền.
• Nếu sự cố xảy ra trên đoạn từ splitter đến ONU, không có phương án dự phòng.

7.2. Type B

• OLT cung cấp 2 cổng GPON: một chính (active) và một dự phòng (protect).
• Chỉ bảo vệ đoạn sợi từ OLT đến splitter và board OLT.
• Không dự phòng thiết bị tại ONU hay đoạn sợi cấp nguồn (feeder).
• Không bảo vệ đầy đủ ONU hoặc ODN.
• Dùng splitter tỷ lệ 2×N, không phát sinh thêm suy hao quang.

7.3. Type C

Dự phòng toàn diện cho OLT, ODN và ONU — cung cấp 2 liên kết dự phòng đầy đủ đến thuê bao. Có 2 tùy chọn:

a) Bảo vệ 1+1:

1. Dành riêng một PON cho việc bảo vệ (protect PON).
2. Lưu lượng bình thường được nhân bản, gửi đồng thời trên cả 2 PON (có cầu nối vĩnh viễn giữa 2 OLT).
3. ONU nhận đồng thời cả 2 tín hiệu, chọn tín hiệu theo tiêu chí định trước.

b) Bảo vệ 1:1:

1. Lưu lượng bình thường chỉ chạy trên PON chính (working) hoặc PON dự phòng (protect).
2. Tự động chuyển đổi (switchover) giữa 2 PON khi có sự cố.
3. Chi phí cao hơn nhưng đảm bảo độ khả dụng tối đa.

Tổng kết

GPON là công nghệ mạng quang thụ động giúp đơn giản hóa hạ tầng (bỏ switch tích cực ở tầng access/distribution), tận dụng WDM và TDMA để truyền dữ liệu hai chiều trên cùng một sợi quang, đồng thời có các cơ chế FEC, mã hóa AES-128 và nhiều chế độ dự phòng (Type A/B/C) để đảm bảo độ tin cậy.

Tham khảo chi tiết theo tài liệu của Cisco: Understand GPON Technology