Nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã trong truyền thông quang không dây

Hệ thống CDMA quang không dây FSO/CDMA là hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã quang sử dụng phương thức truyền sóng ánh sáng qua không gian tự do để kết nối giữa các thiết bị phát và

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

NGUYỄN VĂN TIẾN

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ TRONG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60.52.70

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2012

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: Ts Đặng Thế Ngọc

Phản biện 1: Ts Hoàng Ứng Huyền

Phản biện 2: Ts Nguyễn Ngọc Minh

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: 8 giờ 00 ngày 20 tháng 01 năm 2013

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ ĐẦU

Truyền thông quang không dây (FSO) là công nghệ truyền dẫn tín hiệu quang qua môi trường vô tuyến (không gian tự do) Trong những năm gần đây, truyền thông quang không dây đang được xem như một giải pháp hứa hẹn thay thế cho các kết nối vô tuyến băng rộng nhờ các ưu điểm mà nó có được bao gồm: tốc

độ cao; chi phí hiệu quả; không yêu cầu cấp phép tần số; triển khai nhanh và linh hoạt

Nhằm triển khai kỹ thuật FSO trong mạng truy nhập, việc nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) trong truyền thông quang không dây đang thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu Hệ thống CDMA quang không dây (FSO/CDMA) là hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã quang sử dụng phương thức truyền sóng ánh sáng qua không gian tự do để kết nối giữa các thiết bị phát và thu Đa truy nhập được thực hiện bằng cách gán các chuỗi mã khác nhau cho các người dùng khác nhau Nhờ đó, các hệ thống CDMA quang không dây có hiệu quả sử dụng tài nguyên cao, khả năng truy nhập không đồng bộ và khả năng an ninh cao

Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm, hệ thống CDMA quang không dây cũng gặp phải những thách thức cần phải vượt qua đó là ảnh hưởng mạnh của tạp

âm, nhiễu và các yếu tố tác động của môi trường truyền lan không gian như mưa, sương mù, khói, bụi, tuyết… và đặc biệt là sự nhiễu loạn không khí Do đó, việc tiến hành nghiên cứu phân tích hiệu năng của hệ thống CDMA quang không dây nhằm đánh giá khả năng triển khai của giải pháp CDMA trong truyền thông quang không dây là rất cần thiết

Mục đích nghiên cứu của luận văn nhằm đưa ra giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã quang trong truyền thông quang không dây Kết quả cụ thể của nghiên cứu

là đưa ra mô hình hệ thống FSO/CDMA và phân tích hiệu năng của hệ thống FSO

dưới sự ảnh hưởng của các loại nhiễu và nhiễu loạn không khí

1.1 Giới thiệu

FSO (hay truyền thông quang không dây) là công nghệ viễn thông sử dụng

sự truyền lan ánh sáng trong không gian để truyền tín hiệu giữa hai điểm [18] Đây

là công nghệ truyền thông băng rộng tầm nhìn thẳng, trong đó tín hiệu quang, thay

vì truyền trong sợi quang, được phát đi trong một búp sóng quang qua không gian Một mạng truyền thông quang không dây bao gồm các bộ thu-phát quang (gồm một khối thu và một khối phát) cung cấp khả năng thông tin hai chiều Mỗi khối phát quang sử dụng một nguồn quang và một thấu kính để phát tín hiệu quang qua không gian tới khối thu Tại phía thu, một thấu kính khác được sử dụng để thu tín hiệu, thấu kính này được nối với khối thu có độ nhạy cao qua một sợi quang Một tuyến FSO bao gồm hai bộ thu-phát được đặt trong tầm nhìn thẳng Thông thường, các bộ thu phát được gắn trên nóc các tòa nhà hoặc sau các cửa sổ (Hình 1.1) Cự ly hoạt động của một tuyến FSO từ vài trăm mét tới vài km

Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống FSO thông thường

Các đặc điểm cơ bản của hệ thống FSO như sau:

Băng thông điều chế rộng; Búp sóng hẹp; Không yêu cầu cấp phép phổ tần; Rẻ; Triển khai nhanh chóng; Phụ thuộc vào thời tiết

Ngoài các điểm trên, các đặc điểm khác của FSO bao gồm:

Lợi ích từ truyền thông sợi quang hiện tại; không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ; không giống như hệ thống có dây, FSO là một hệ thống không cố định có thể thu hồi tài sản; phát xạ phải nằm trong giới hạn an toàn quy định; trọng lượng nhẹ và nhỏ gọn; tiêu thụ điện năng thấp; yêu cầu tầm nhìn thẳng và liên kết chặt chẽ như là một kết quả của việc búp sóng hẹp

1.2 Mô hình hệ thống FSO

Sơ đồ khổi của một tuyến FSO điển hình được thể hiện trên hình 1.2 Giống như bất kỳ công nghệ truyền thông nào, hệ thống FSO gồm ba phần: Bộ phát, kênh truyền và bộ thu

Hình 1.2: Sơ đồ khối của hệ thống FSO

1.2.1 Bộ phát

Phần tử này có nhiệm vụ chính là điều chế dữ liệu gốc thành tín hiệu quang sau đó truyền qua không gian tới bộ thu Phương thức điều chế được sử dụng rộng

rãi tại bộ phát là điều chế cường độ (IM), trong đó cường độ phát xạ của nguồn quang sẽ được điều chế bởi số liệu cần truyền đi Việc điều chế được thực hiện thông qua việc thay đổi trực tiếp cường độ của nguồn quang tại bộ phát hoặc thông qua bộ điều chế ngoài như bộ giao thoa MZI Việc sử dụng một bộ điều chế ngoài nhằm đảm bảo tốc độ dữ liệu đạt được cao hơn so với bộ điều chế trực tiếp Các thuộc tính khác của trường bức xạ quang như pha, tần số và trạng thái phân cực cũng có thể được sử dụng để điều chế với cùng với dữ liệu/thông tin thông qua việc

b) Bộ lọc thông dải quang – bộ lọc thông dải làm giảm lượng bức xạ nền c) Bộ tách sóng quang – PIN hoặc APD chuyển đổi trường quang đến thành tín

hiệu điện Các bộ tách sóng quang thường được dùng trong các hệ thống truyền thông quang hiện nay được tóm tắt trong bảng 1.2

d) Mạch xử lý tín hiệu – có chức năng khuếch đại, lọc và xử lý tín hiệu để đảm

bảo tính chính xác cao của dữ liệu được khôi phục

1.2.3 Kênh vô tuyến

Kênh truyền dẫn quang khác so với kênh nhiễu Gauss thông thường, tín hiệu

đầu vào của kênh, x(t), thể hiện công suất chứ không phải là biên độ Điều này dẫn tới hai điều kiện ràng buộc trên tín hiệu được truyền: i) x(t) phải không âm và ii) giá trị trung bình của x(t) không được vượt quá một giá trị quy định

1.2.3.2 Tổn thất kênh truyền không khí

a) Hấp thụ

b) Tán xạ

c) Ảnh hưởng của sự nhiễu loạn không - Sự nhiễu loạn không khí phụ thuộc

vào i) độ cao/áp suất khí quyển; ii) vận tốc gió; iii) sự khác nhau của các chỉ

số khúc xạ do sự không đồng nhất về nhiệt độ Các ảnh hưởng của sự nhiễu loạn không khí bao gồm:

Sự lệch chùm sáng; sự nhẩy ảnh; sự mở rộng của chùm sáng; sự nhấp nháy của chùm sáng; sự suy giảm tính nhất quán trong không; sự biến động phân

d) Mô hình sự nhiễu loạn không khí

1.3 Các thách thức đối với hệ thống FSO

Sương mù; Sự nhấp nháy; Sự trôi búp; Giữ thẳng hướng phát-thu khi tòa nhà dao động; Sự an toàn cho mắt

1.4 Các ứng dụng của hệ thống FSO

Truy nhập chặng cuối; Dự phòng tuyến sợi quang; Kết nối back-haul cho mạng tế bào; Các tuyến tạm thời/ khắc phục sự cố;Mạng truyền thông nhiều vùng nhỏ; Các vùng địa lý khó khăn

mã thường được sử dụng trong các hệ thống OCDMA các loại nhiễu trong hệ thống OCDMA

2.1 Giới thiệu

OCDMA là kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo mã quang, theo đó, mỗi người sử dụng sẽ được cấp một mã quang để truy nhập vào mạng thay vì khe thời gian như trong kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) hay bước sóng như trong kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo bước sóng (WDMA) OCDMA giúp nâng cao tốc độ truyền dẫn, tăng tính linh hoạt về số lượng người sử dụng và tăng tính bảo mật của hệ thống [20] OCDMA là công nghệ tiềm năng cho phép thay thế các công nghệ hiện tại trong mạng truy nhập quang

Trong chương này, đầu tiên chúng ta sẽ xem xét các công nghệ truy nhập đang được sử dụng trong mạng quang, đặc biệt là mạng truy nhập quang thụ động (PON) Tiếp theo, chúng ta tìm hiểu về một kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (OCDMA), cách phân loại hệ thống OCDMA cũng như các loại mã hay được sử dụng trong hệ thống CDMA quang Cuối cùng, sơ đồ và nguyên lý một hệ thống OCDMA tiêu biểu, 2-D λ-t OCDMA sẽ được giới thiệu

2.2 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã quang

Trong OCDMA, tài nguyên mạng được chia sẻ giữa người sử dụng bằng cách gán cho mỗi người một mã thay vì khe thời gian như TDMA hoặc bước sóng như WDMA Do đó, người dùng có khả năng tiếp cận các tài nguyên cùng một

Hình 2.1: Chia sẻ tài nguyên dựa trên kỹ thuật OCDM 2.3 Các hệ thống CDMA quang

Nếu chúng ta phân loại dựa vào sự khác biệt của các phương pháp mã hóa tín hiệu quang, ta có thể chia thành ba loại hệ thống OCDMA:

- Hệ thống OCDMA mã hóa trong miền thời gian, trong đó bao gồm hệ thống trải phổ truyền thống và hệ thống mã hóa pha theo thời gian

- Hệ thống OCDMA mã hóa trong miền tần số, bao gồm bước mã hóa pha phổ (SPE) và hệ thống mã hóa biên độ phổ (SEA)

- Hệ thống OCDMA mã hóa lai ghép sử dụng kết hợp các phương thức mã hóa nêu trên Ví dụ chúng ta có thể có được mã hóa 2-D bằng cách kết hợp mã hóa trong miền thời gian và miền bước sóng, hệ thống OCDMA trải thời gian/nhảy bước sóng (WH/TS) Nếu mã hóa theo không gian được kết hợp với thời gian và bước sóng ta sẽ có được mã hóa không gian/ thời gian/bước sóng

Nếu chúng ta sắp xếp chúng theo số lượng tài nguyên (thời gian, không gian, bước sóng) được sử dụng, ta có thể được chia thành các hệ thống OCDMA một

chiều (1D OCDMA), các hệ thống OCDMA hai chiều (2D OCDMA) và hệ thống OCDMA ba chiều (3D OCDMA) Nếu sự phân cực này cũng đưa vào mã hóa, ta có thể đạt được các hệ thống bốn chiều (4D OCDMA)

Nếu chúng ta phân loại các hệ thống OCDMA theo số lượng các bước sóng được sử dụng để mã hóa, chúng có thể được chia thành các hệ thống OCDMA đơn bước sóng và các hệ thống OCDMA đa bước sóng

Hình 2.2: Sơ đồ khối của hệ thống OCDMA

2.4 Mã sử dụng trong hệ thống CDMA quang

Chuỗi M; Mã Hadamard; Mã MQC; Mã nguyên tố; Mã nguyên tố 2-D

Dữ liệu

nhị

Bộ mã hóa Máy phát

Bộ phục hồi dữ

Bộ giải

mã Máy thu #1

Máy thu # K

Bộ phục hồi dữ

2.5 Nhiễu trong hệ thống CDMA quang

2.5.1 Nhiễu bộ thu

Hai loại nhiễu chính ở bộ thu là nhiễu lượng tử và nhiễu nhiệt Hai loại nhiễu này là nguyên nhân chính gây ra sự thăng giáng dòng tách quang tại bộ thu, ngay cả

khi công suất tín hiệu thu (P in) không đổi

Bản chất của nhiễu lượng tử là do dòng điện tách quang được tạo ra từ dòng chuyển động của các điện tử mà các điện tử này lại được tạo ra một cách ngẫu nhiên theo thời gian Về mặt toán học, sự thăng giáng của dòng điện do nhiễu lượng tử gây ra là một tiến tronh Poison dừng, và có thể xấp xỉ bởi thống kê Gauss Phương sai của nhiễu nhiệt có thể biểu diễn dưới dạng [21]

e in

sh2  2e P B

trong đó e là điện tích điện tử là đáp ứng của bộ tách sóng quang B e là băng

thông điện (nhiễu) hiệu dụng của bộ thu Giá trị thực tế của B e phụ thuộc vào thiết

kế bộ thu

2.5.2 Nhiễu đa truy nhập

Nhiễu đa truy nhập (MAI) là một trong những nguồn nhiễu chính trong các

hệ thống OCDMA, là nguyên nhân chính gây suy giảm chất lượng của hệ thống Như đã đề cập trong chương 1, MAI gây ra bởi các người sử dụng hoạt động đồng thời trong mạng, các xung MAI là các xung quang xuất hiện đồng thời và có cùng bước sóng với xung mong muốn Mức độ ảnh hưởng của MAI được quyết định bởi hai tham số chính: (1) số lượng người dùng cùng hoạt động trên mạng và (2) giá trị tương quan chéo giữ các chuỗi mã phân bổ cho các người dùng trên mạng

Để giảm bớt ảnh hưởng của MAI, các loại mã có giá trị tương quan chéo nhỏ thường được sử dụng Điều này đồng nghĩa với việc cần các chuỗi mã có độ dài lớn,

ví dụ mã nguyên tố Giải pháp thứ hai là sử dụng phương thức điều chế vị trí xung PPM [5] Tuy nhiên, cả hai giải pháp nêu trên đều dẫn tới làm hẹp độ rộng xung quang và hệ thống sẽ bị ảnh hưởng mạnh hơn bởi tán sắc

Chương 3

HỆ THỐNG CDMA QUANG KHÔNG DÂY

Chương 3 phân tích một cách toàn diện về các ảnh hưởng của nhiễu loạn không khí bao gồm sự thăng giáng cường độ và ảnh hưởng của dãn xung lên hiệu năng hệ thống FSO/CDMA sử dụng PPM và MWPPM Kết quả thể hiện rẳng M- PPM với M >16 không nên được sử dụng vì yêu cầu gửi xung hẹp, do đó bị ảnh hưởng mạnh bởi dãn xung Bằng việc sử dụng MWPPM, ảnh hưởng của cả thăng giáng cường độ và dãn xung có thể được giảm nhẹ, do đó BER hệ thống giảm Ngoài ra, chúng ta nhận thấy rằng hiệu năng hệ thống được cải thiện đáng kể và đạt được BER thấp bằng việc sử dụng APD với độ lợi trong khoảng từ 80 tới 100

Để giảm thiểu ảnh hưởng của sự nhiễu loạn không khí, các nghiên cứu về hệ

thống FSO/CDMA trước đây thường sử dụng phương thức điều chế vị trí xung PPM) do đây là một phương pháp đạt hiệu suất cao về mặt năng lượng [3] – [7] M-

(M-PPM cũng giúp tránh được yêu cầu điều chỉnh ngưỡng thích nghi trong OOK

Những nghiên cứu trước đây cho thấy rằng khi bỏ qua ảnh hưởng của dãn xung,

M-PPM rất hiệu quả trong việc làm giảm sự ảnh hưởng của thăng giáng cường độ tín hiệu Tuy nhiên, để có đựoc sự phân tích hiệu năng hệ thống FSO/CDMA một cách toàn diện chúng ta nên đánh ra ảnh hưởng của sự dãn xung Hơn nữa, ảnh hưởng của dãn xung là đáng kể và không thể bỏ qua khi các hệ thống FSO truyền thông tin

tốc độ cao và đặc biệt các hệ thống FSO/CDMA sử dụng M-PPM yêu cầu gửi thông tin ở tốc độ chip cao (xung ngắn) qua kênh nhiễu loạn không khí

Trong luận văn này, tôi đề xuất sử dụng một mô hình lan truyền xung Gauss

để phân tích toàn diện những tác động của sự nhiễu loạn không khí lên hiệu năng của hệ thống FSO/CDMA sử dụng PPM Mô hình này sẽ có thể phân tích tất cả các ảnh hưởng của sự nhiễu loạn không khí, bao gồm sự thay đổi của cường độ tín hiệu,

sự dãn xung và suy hao truyền dẫn Ngoài ra, các loại nhiễu bao gồm nhiễu nổ, nhiễu nền, nhiễu nhiệt và nhiễu đa truy nhập (MAI) cũng sẽ được tính đến trong phân tích hiệu năng

Hình 3.1: Các phương pháp điều chế: 4-WSK, 4-PPM và 2-2-MWPPM

3.2 Mô hình kênh FSO

3.2.1 Mô hình kênh nhiễu loạn không khí

Môi trường khí quyển không phải là một kênh truyền thông lý tưởng Sự không đồng nhất về nhiệt độ và áp suất của khí quyển dẫn tới sự thay đổi chỉ số khúc xạ theo tuyến truyền dẫn, mà thường được gọi là sự nhiễu loạn không khí Nó tạo ra một loạt các hiện tượng như suy hao lựa chọn tần số, hấp thụ, tán xạ và sự không ổn định (nhấp nháy) Khi chùm tín hiệu quang lan truyền qua môi trường không khí, cường độ tín hiệu quan sát được tại phía thu thay đổi một cách ngẫu nhiên Điều này được gọi là nhấp nháy, và nó cũng là nhược điểm chính của các hệ thống truyền thông FSO

Rất khó để xác định hàm mật độ xác suất cho sự thay đổi cường độ tín hiệu theo các điều kiện khí quyển tùy ý và các tham số của chùm tín hiệu Tuy nhiên, dựa trên số liệu thống kê hiện tượng nhấp nháy, các mô hình toán học khác nhau được đề xuất như hàm Log-normal [13], phân bố Gama [14] hay Gama-Gama [15] Trong chương này chúng ta xem xét kịch bản về sự nhiễu loạn yếu dựa trên mô hình phân bố Log – normal

Một biến ngẫu nhiên B có một phân bố Log-normal nếu biến ngẫu nhiên A = lnB có một phân bố chuẩn (ví dụ Gauss) Do đó, nếu biên độ của độ lợi tuyến ngẫu nhiên B là I, cường độ quang I = B2 cũng được phân bố bởi hàm Log-normal trong trường hợp này Do đó, hệ số kênh fading đặc trưng cho mô hình kênh từ phía phát tới phía thu, được cho bởi công thức 3.1

 exp 2

Trong đó I m là cường độ tín hiệu ánh sáng thực tế tại bộ phát khi không có sự

nhiễu loạn; I là cường độ tín hiệu ánh sáng thực tế tại phía thu khi có sự nhiễu loạn

LogX (X: biên độ) là biến ngẫu nhiên phân bố chuẩn với giá trị trung bình x và phương sai x có thể được biểu diễn như sau:

2 2

1 exp

2 2

x x

x x

mô tả như:

2 2 2

ln 2 1

exp

8 8

x I

x x