Mạng PON là gì? Cấu trúc, nguyên lý hoạt động và các công nghệ PON phổ biến

PON hay mạng quang thụ động là một trong những kiến trúc mạng sử dụng phổ biến nhất. Hệ thống mạng từ nhà cung cấp viễn thông đến nhà bạn như FTTH cũng sử dụng mạng PON. Các công nghệ GPON, EPON, XG-PON, XGS-PON hay 10G-EPON đều là những công nghệ khác nhau được phát triển dựa trên kiến trúc mạng quang thụ động. Vậy mạng PON là gì, để hiểu đúng, trước tiên ta cần nhìn vào cách hệ thống kết nối từ nhà cung cấp dịch vụ viễn thông đến thiết bị của người sử dụng cuối như thế nào?.

Mạng PON là gì?

Mạng PON là viết tắt của Passive Optical Network, được hiểu là mạng quang thụ động.

Đây là kiến trúc mạng cáp quang dạng điểm – đa điểm, trong đó một cổng quang đặt tại thiết bị trung tâm có thể kết nối với nhiều thiết bị đầu cuối thông qua hệ thống cáp quang và bộ chia tín hiệu.

Mô hình kết nối cơ bản của mạng PON gồm:

Mạng lõi hoặc Internet → OLT → Mạng phân phối quang ODN → Splitter → ONU/ONT → Thiết bị người dùng

Trong đó:

• OLT là thiết bị quản lý và phát tín hiệu từ phía trung tâm.
• ODN là toàn bộ hệ thống cáp và phụ kiện quang nằm giữa OLT với người dùng.
• Splitter có nhiệm vụ chia tín hiệu quang thành nhiều nhánh.
• ONU hoặc ONT tiếp nhận tín hiệu quang và chuyển đổi thành Ethernet, WiFi, thoại hoặc truyền hình.

Nhờ cơ chế mạng thụ động, một tuyến cáp quang đi ra từ phòng máy có thể phục vụ nhiều hộ gia đình, văn phòng hoặc khu vực khác nhau mà không cần đặt switch hay thiết bị chuyển tiếp sử dụng điện trên từng nhánh.

PON là viết tắt của từ gì?

PON được hình thành từ ba từ tiếng Anh:

• Passive: thụ động.
• Optical: quang học hoặc sử dụng tín hiệu quang.
• Network: mạng kết nối.

Tên gọi này phản ánh đặc điểm quan trọng nhất của hệ thống: phần mạng nằm giữa thiết bị trung tâm và thiết bị đầu cuối chủ yếu sử dụng các linh kiện quang không cần cấp điện.

Các thành phần thụ động thường gặp gồm:

• Cáp quang.
• Bộ chia quang.
• Hộp phối quang.
• Măng xông quang.
• Adapter quang.
• Dây hàn quang.
• Dây nhảy quang.
• Đầu nối và mối hàn quang.

Các thành phần này chỉ truyền, nối hoặc chia công suất tín hiệu. Chúng không cần bộ xử lý, nguồn điện hay hệ thống làm mát để hoạt động.

Vì sao mạng PON được gọi là mạng quang thụ động?

Trong mạng Ethernet truyền thống, dữ liệu có thể phải đi qua nhiều switch hoặc thiết bị chuyển tiếp. Những thiết bị này cần nguồn điện để đọc, xử lý và chuyển tiếp dữ liệu đến đúng cổng đích.

Mạng PON hoạt động theo cách khác. Tín hiệu quang từ thiết bị trung tâm được truyền qua cáp quang đến bộ chia quang. Tại đây, tín hiệu được chia thành nhiều nhánh và tiếp tục truyền đến các thiết bị đầu cuối.

Bộ chia quang không đọc nội dung dữ liệu, không xác định địa chỉ và không lựa chọn nhánh truyền. Nó chỉ chia công suất tín hiệu từ một đầu vào thành nhiều đầu ra.

Nhờ không cần đặt thiết bị điện tử dọc tuyến, mạng PON giúp giảm:

• Số lượng điểm cần cấp nguồn.
• Nguy cơ hỏng nguồn ngoài hiện trường.
• Chi phí vận hành và bảo trì.
• Không gian lắp đặt thiết bị.
• Nhu cầu sử dụng tủ nguồn và bộ lưu điện.
• Điện năng tiêu thụ cho thiết bị trung gian.

Tuy nhiên, “thụ động” không có nghĩa toàn bộ hệ thống PON không sử dụng điện.

Hai đầu của hệ thống vẫn cần thiết bị chủ động:

• OLT tại phía trung tâm cần nguồn điện để quản lý và phát tín hiệu.
• ONU hoặc ONT tại phía người dùng cần nguồn điện để nhận tín hiệu và cung cấp kết nối mạng.

Tính thụ động chỉ áp dụng cho phần mạng phân phối nằm giữa OLT và ONU/ONT.

PON là kiến trúc mạng, không phải tên một công nghệ duy nhất

Nhiều người thường sử dụng hai khái niệm PON và GPON thay thế cho nhau. Tuy nhiên, cách gọi này chưa hoàn toàn chính xác.

PON là tên gọi chung của kiến trúc mạng quang thụ động. Bên trong kiến trúc đó có nhiều công nghệ khác nhau, chẳng hạn:

• APON.
• BPON.
• EPON.
• GPON.
• XG-PON.
• XGS-PON.
• 10G-EPON.
• NG-PON2.
• 25G-EPON.
• 50G-PON.

Có thể hiểu đơn giản rằng:

• PON là tên của một nhóm công nghệ.
• GPON là một công nghệ cụ thể thuộc nhóm PON.
• XGS-PON là một thế hệ PON có tốc độ cao hơn.
• EPON là một nhánh công nghệ PON được phát triển trên nền tảng Ethernet.

Mỗi công nghệ PON trên có thể khác nhau về:

• Tốc độ chiều lên và chiều xuống.
• Cơ chế đóng gói dữ liệu.
• Dải bước sóng sử dụng.
• Phương thức quản lý thiết bị.
• Khả năng tương thích giữa OLT và ONU.
• Tình huống triển khai phù hợp.

Vì vậy, khi lựa chọn thiết bị, không thể chỉ kiểm tra xem thiết bị có ghi chữ “PON” hay không. Cần xác định chính xác hệ thống đang sử dụng GPON, EPON, XGS-PON hay một chuẩn khác.

Mạng PON được sử dụng để làm gì?

Mạng PON được sử dụng chủ yếu để đưa kết nối cáp quang từ một điểm tập trung đến nhiều người dùng.

Ứng dụng phổ biến nhất là mạng FTTH, trong đó cáp quang được kéo đến tận nhà khách hàng. Ngoài ra, PON còn được triển khai trong nhiều mô hình khác.

Mạng FTTH cho hộ gia đình

FTTH là viết tắt của Fiber To The Home, tức cáp quang đến tận nhà.

Trong mô hình này, tín hiệu từ OLT được truyền qua hệ thống cáp quang và splitter đến ONT đặt tại nhà người dùng. ONT sau đó cung cấp:

• Kết nối Internet.
• Cổng mạng Ethernet.
• Mạng WiFi.
• Dịch vụ truyền hình.
• Dịch vụ điện thoại.

Đây là mô hình thường gặp trong các đường truyền Internet cáp quang gia đình hiện nay.

Mạng FTTB cho tòa nhà

FTTB là viết tắt của Fiber To The Building, tức cáp quang đến tòa nhà.

Thay vì kéo sợi quang đến từng căn hộ hoặc văn phòng, nhà cung cấp có thể kéo cáp quang đến phòng kỹ thuật của tòa nhà. Tại đây, ONU tiếp nhận tín hiệu và phân phối kết nối tiếp bằng cáp mạng Ethernet.

Mô hình này thường được sử dụng trong:

• Chung cư.
• Tòa nhà văn phòng.
• Khách sạn.
• Ký túc xá.
• Khu nhà ở tập trung.

Mạng FTTO cho văn phòng

FTTO là viết tắt của Fiber To The Office, tức cáp quang đến từng văn phòng hoặc khu vực làm việc.

ONU có thể được đặt gần người dùng và kết nối trực tiếp đến máy tính, điện thoại IP, camera hoặc Access Point.

Mô hình này giúp giảm khoảng cách đi cáp đồng và phù hợp với những công trình có phạm vi rộng.

Mạng LAN quang thụ động

Doanh nghiệp có thể sử dụng PON để xây dựng mạng nội bộ thay cho một phần hệ thống switch truy nhập truyền thống.

Mô hình này thường được gọi là Passive Optical LAN và phù hợp với:

• Trường học.
• Bệnh viện.
• Nhà máy.
• Khách sạn.
• Khu nghỉ dưỡng.
• Khu công nghiệp.
• Tòa nhà có nhiều tầng.
• Campus có nhiều khu vực kết nối.

Hệ thống camera và giám sát

PON có thể được sử dụng để kết nối các cụm camera nằm cách xa trung tâm điều khiển.

Tại mỗi khu vực, ONU chuyển tín hiệu quang thành Ethernet để kết nối với camera hoặc switch PoE. Dữ liệu hình ảnh sau đó được truyền ngược về trung tâm qua hệ thống PON.

Khi sử dụng PON cho camera, cần đặc biệt quan tâm đến băng thông chiều lên vì phần lớn lưu lượng được truyền từ camera về máy chủ hoặc đầu ghi.

Cấu trúc của một hệ thống mạng PON

Một hệ thống PON hoàn chỉnh thường được chia thành ba khu vực chính:

1. Khu vực thiết bị trung tâm.
2. Mạng phân phối quang.
3. Khu vực thiết bị đầu cuối.

Tương ứng với ba thành phần quan trọng:

• OLT.
• ODN.
• ONU hoặc ONT.

Ta có thể hiểu dòng truyền tín hiệu trong mạng PON có thể được hiểu đơn giản: “OLT tạo và quản lý tín hiệu → ODN vận chuyển tín hiệu → Splitter chia tín hiệu → ONU/ONT tiếp nhận và chuyển đổi tín hiệu cho người dùng.”

Trong đó vai trò của từng thành phần trong mạng PON như sau:

Mạng PON hoạt động như thế nào?

Trong mạng PON, nhiều ONU hoặc ONT cùng kết nối về một cổng OLT thông qua hệ thống cáp quang và splitter. Vì vậy, các thiết bị đầu cuối không có một đường truyền vật lý hoàn toàn độc lập mà phải sử dụng chung tài nguyên của cổng PON.

Để tránh dữ liệu bị nhầm lẫn hoặc xung đột, OLT chịu trách nhiệm kiểm soát toàn bộ quá trình truyền theo hai hướng:

• Chiều xuống từ OLT đến ONU/ONT.
• Chiều lên từ ONU/ONT về OLT.

Hai hướng truyền này có cách hoạt động khác nhau.

Dữ liệu chiều xuống trong mạng PON được truyền như thế nào?

Chiều xuống, còn gọi là downstream, là hướng dữ liệu đi từ mạng trung tâm đến người sử dụng.

Quá trình truyền dữ liệu chiều xuống diễn ra theo trình tự:

1. Dữ liệu từ Internet hoặc mạng lõi được chuyển đến OLT.
2. OLT xác định dữ liệu cần gửi đến từng ONU.
3. Dữ liệu được đóng gói theo công nghệ PON đang sử dụng.
4. OLT phát tín hiệu quang xuống tuyến cáp feeder.
5. Splitter chia tín hiệu từ một đầu vào thành nhiều nhánh đầu ra.
6. Các ONU trên cùng nhánh đều nhận được tín hiệu quang chiều xuống.
7. Mỗi ONU chỉ xử lý phần dữ liệu được chỉ định cho mình.
8. ONU chuyển dữ liệu sang Ethernet, WiFi, thoại hoặc truyền hình.

Điểm cần lưu ý là splitter không lựa chọn dữ liệu cho từng người dùng.

Về mặt vật lý, tín hiệu chiều xuống được splitter phân phối đến tất cả các nhánh. Việc xác định dữ liệu thuộc về ONU nào do OLT, ONU và cơ chế đóng gói của chuẩn PON thực hiện.

Có thể hình dung quá trình này giống như một luồng dữ liệu chung được gửi đến nhiều điểm cuối, nhưng mỗi ONU chỉ mở và xử lý phần thông tin có địa chỉ dành cho mình.

Để bảo vệ dữ liệu giữa các thuê bao, các chuẩn PON còn sử dụng cơ chế mã hóa hoặc bảo mật ở chiều xuống. Nhờ đó, một ONU không thể tùy ý đọc dữ liệu của ONU khác trên cùng cổng PON.

Dữ liệu chiều lên trong mạng PON được truyền như thế nào?

Chiều lên, còn gọi là upstream, là hướng dữ liệu đi từ ONU hoặc ONT trở về OLT.

Đây là phần phức tạp hơn của mạng PON.

Ở chiều xuống, chỉ có OLT phát tín hiệu nên không xảy ra xung đột giữa nhiều nguồn phát. Nhưng ở chiều lên, có nhiều ONU cùng muốn gửi dữ liệu trên một tuyến quang dùng chung.

Nếu hai ONU phát đồng thời, tín hiệu có thể chồng lấn và OLT không thể tách chính xác dữ liệu.

Để giải quyết vấn đề này, OLT chia thời gian truyền thành nhiều khoảng nhỏ và phân bổ cho từng ONU.

Quá trình cơ bản gồm:

1. ONU phát sinh nhu cầu gửi dữ liệu.
2. ONU thông báo trạng thái hàng đợi hoặc nhu cầu băng thông cho OLT.
3. OLT tính toán thời điểm từng ONU được phép truyền.
4. OLT gửi thông tin cấp phát khe thời gian đến các ONU.
5. Mỗi ONU chỉ phát dữ liệu trong khoảng thời gian được chỉ định.
6. Tín hiệu từ các nhánh đi qua splitter và truyền về OLT.
7. OLT tiếp nhận, phân loại và chuyển dữ liệu vào mạng lõi.

Nhờ cơ chế này, nhiều ONU có thể sử dụng chung một sợi quang mà không phát tín hiệu chồng lên nhau.

Trong các hệ thống GPON, phương thức truyền chiều lên thường dựa trên TDMA, tức đa truy nhập phân chia theo thời gian.

Mỗi ONU được cấp một hoặc nhiều khe truyền tùy theo:

• Gói dịch vụ.
• Lượng dữ liệu đang chờ gửi.
• Mức độ ưu tiên.
• Chính sách chất lượng dịch vụ.
• Tình trạng sử dụng của các ONU khác.
• Cấu hình trên OLT.

Bảng so sánh các công nghệ GPON, XG-PON, XGS-PON và 10G-EPON

Ưu điểm của mạng PON

Mạng PON được sử dụng phổ biến trong FTTH và nhiều hệ thống mạng quang nhờ khả năng kết nối nhiều người dùng trên cùng một hạ tầng quang mà không cần nhiều thiết bị chuyển mạch trung gian.

So với mạng quang điểm – điểm, PON có các ưu điểm chính sau:

• Tiết kiệm số sợi quang và hạ tầng triển khai: Với PON, nhiều ONU có thể dùng chung một tuyến quang từ OLT đến splitter, sau đó tín hiệu mới được chia thành các nhánh riêng.
• Không cần cấp điện cho mạng phân phối quang: phần ODN trong mạng PON sử dụng các thiết bị thụ động như splitter, cáp quang, mối hàn và hộp phối quang nên không cần nguồn điện.
• Giảm thiết bị trung gian: mô hình PON sử dụng mô hình đơn giản (OLT → Splitter → ONU) thay vì phải sử dụng nhiều tầng switch (Switch trung tâm → Switch phân phối → Switch truy nhập).
• Khoảng cách truyền dẫn tín hiệu lớn vì sử dụng cáp quang.
• Khả năng chống nhiễu tốt vì truyền dữ liệu bằng ánh sáng nên không bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ.
• Hỗ trợ được nhiều điểm kết nối.
• Phù hợp cho nhiều dịch vụ ngoài cung cấp internet như mạng nội bộ, camera, điện thoại IP, WiFi,…

Nhược điểm của mạng PON

Bên cạnh các ưu điểm về chi phí và khả năng triển khai, mạng PON cũng có một số hạn chế cần lưu ý:

• Băng thông bị chia sẻ: Các ONU trên cùng một cổng PON sẽ dùng chung dung lượng của cổng đó. Ví dụ, một cổng GPON có tốc độ chiều xuống khoảng 2,5 Gbit/s không có nghĩa mỗi thuê bao đều nhận riêng 2,5 Gbit/s. Do đó càng nhiều người sử dụng thì tốc độ mạng càng chậm.
• Splitter làm tăng suy hao quang: Splitter chỉ chia tín hiệu quang, không khuếch đại tín hiệu. Khi chia càng nhiều nhánh, công suất quang trên mỗi nhánh càng giảm.
• Khi có sự cố sẽ ảnh hưởng đến nhiều người dùng: Do nhiều ONU dùng chung hạ tầng, một lỗi tại điểm tập trung có thể ảnh hưởng đến nhiều thuê bao.
• Khó xử lý sự cố hơn: Trong PON, tuyến quang thường đi qua nhiều thành phần như splitter, hộp phối quang và nhiều nhánh thuê bao. Điều này khiến việc xác định vị trí lỗi phức tạp hơn so với tuyến quang trực tiếp.
• Phụ thuộc vào khả năng tương thích của thiết bị: Không phải mọi OLT và ONU cùng chuẩn đều chắc chắn hoạt động với nhau.

Tổng kết về mạng PON

PON là kiến trúc mạng quang thụ động giúp kết nối nhiều người dùng trên cùng một hạ tầng quang thông qua OLT, ODN, splitter và ONU.

Ưu điểm lớn nhất của PON là tiết kiệm sợi quang, giảm thiết bị trung gian, không cần cấp điện cho mạng phân phối và phù hợp với các hệ thống có nhiều điểm kết nối.

Tuy nhiên, PON cũng có hạn chế như băng thông chia sẻ, suy hao do splitter và khả năng ảnh hưởng nhiều người dùng khi xảy ra lỗi tại điểm tập trung.

GPON vẫn là lựa chọn phổ biến cho FTTH thông thường. XGS-PON phù hợp hơn với các nhu cầu băng thông cao như doanh nghiệp, camera, cloud và dịch vụ Multi-Gigabit. Khi thiết kế mạng PON, cần cân nhắc đồng thời chuẩn công nghệ, tỷ lệ chia, ngân sách quang, thiết bị đầu cuối và khả năng mở rộng trong tương lai.