Luận án đánh giá hiệu năng hệ thống fso chuyển tiếp sử dụng điều chế sc qam dưới ảnh hưởng của lỗi lệch ti

Sơ đồ hệ thống FSO với sự sự nhiễu loạn không khí Bộ giải điều chế Xử lý thông tin Hấp thụ Tán xạ Nhiễu loạn Nhiễu bức xạ nền Máy thu Kênh truyền FSO Máy phát Số liệu phát Số liệu khô

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG FSO

1.1 Giới thiệu chương

Nội dung của chương này trình bày về mô hình, các phần tử và nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền thông quang không dây Suy hao đường truyền phụ thuộc vào thời tiết, nhiễu loạn khí quyển và lỗi lệch tia, các tham số đường truyền được

mô hình hóa bởi mô hình trạng thái kênh Ngoài ra, mô hình pha-đinh do lệch tia giữa máy phát và máy thu trong điều kiện rung lắc của các tòa nhà cũng được trình bày trong chương này Các tham số hiệu năng như tỷ lệ lỗi ký tự trung bình và dung lượng kênh trung bình cho các cấu hình khác nhau của hệ thống được trình bày ở phần cuối của chương Nội dung chính của chương sẽ tập trung khảo sát tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ thể hiện mức độ nhiễu loạn của khí quyển, mô hình trạng thái kênh Log-Normal và Gamma-Gamma của hệ thống FSO, mô hình pha-đinh do lệch tia giữa máy phát và máy thu

1.2 Mô hình một hệ thống FSO

Về cơ bản, một hệ thống truyền thông quang không dây FSO gồm ba phần: máy phát, kênh truyền và máy thu, sơ đồ khối của hệ thống FSO điểm hình được thể hiện như Hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống FSO với sự sự nhiễu loạn không khí

Bộ giải điều chế

Xử lý thông tin

Hấp thụ Tán xạ Nhiễu loạn Nhiễu bức

xạ nền

Máy thu Kênh truyền FSO

Máy phát

Số liệu

phát

Số liệu khôi phục được

1.2.1 Máy phát

Máy phát có chức năng chính là điều chế dữ liệu băng gốc thành tín hiệu quang, tín hiệu quang này sau đó sẽ được truyền qua không gian tới máy thu Phương thức điều chế được sử dụng phổ biến là điều chế cường độ (IM), trong đó cường độ bức xạ quang của nguồn quang được điều chế bởi số liệu cần truyền đi Ngoài phương thức điều chế trực tiếp, có thể sử dụng phương thức điều chế ngoài

Sử dụng 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 tần số, pha và trạng thái phân cực cũng có thể được sử dụng để điều chế cùng với dữ liệu thông qua việc sử dụng bộ điều chế ngoài Tín hiệu sau khi điều chế từ nguồn quang (LED hoặc LASER) được tập hợp bởi một thấu kính và phát qua môi trường khí quyển tới máy thu

Nguồn quang được sử dụng có thể là LED hoặc LASER tùy thuộc vào yêu cầu

cụ thể của từng hệ thống Trong khoảng bước sóng từ 700 10000 nm có rất nhiều cửa sổ truyền dẫn hầu như trong suốt với mức suy hao nhỏ ở 0,2dB/km Tuy nhiên, hầu hết các hệ thống FSO đều được thiết kế để hoạt động trong các cửa sổ truyền dẫn 780 850 nm và 1520 1600 nm. Cửa sổ truyền dẫn 780 850 nm là được sử dụng rộng rãi nhất, bởi vì thiết bị và các thành phần của hệ thống có thể được sản xuất và triển khai với chi phí thấp khi hoạt động ở những bước sóng trong cửa sổ truyền dẫn này

Tuy nhiên, dải tần 1550 nm đã và đang được sử dụng nhiều bởi nhiều lý do Thứ nhất, hệ thống sử dụng bước sóng 1550 nm tương thích với mạng ghép kênh phân chia theo bước sóng ở cửa sổ truyền dẫn thứ 3 Thứ hai, bước sóng

và yêu cầu việc giữ thẳng hướng giữa máy phát và máy thu trong điều kiện rung lắc của các tòa nhà

Một số loại nguồn quang LED và LASER sử dụng phổ biến trong hệ thống truyền thông quang không dây FSO được liệt kê trong Bảng 1.1

Bảng 1.1 Một số loại nguồn quang sử dụng trong FSO [79]

gần

Gần hồng ngoại Mạch điều khiển đơn giản Công suất và tốc độ dữ liệu thấp hơn

LASER

Thác lượng tử ~10000

Không xuyên qua thủy tinh Thành phần chế tạo không có sẵn Truyền dẫn trong sương mù tốt hơn Đắt tiền và tương đối mới

Rất nhanh và độ nhạy cao

Fabry-Perot ~1300/~1550

Độ dốc hiệu quả (0,03 – 0,2 W/A) Tốc độ cao (lên tới 40 Gb/s) Tương thích với bộ khuếch đại EDFA Mật độ công suất cao hơn 50 lần (100 nW/cm2)

Tiêu chuẩn an toàn cho mắt thấp hơn Phát xạ mặt

khoang cộng

hưởng dọc

~850

Không có hoạt động làm mát, mật độ công suất thấp, tốc độ ~10 Gb/s

Rẻ và có tính khả dụng

1.2.2 Kênh truyền dẫn khí quyển

Kênh truyền dẫn của hệ thống FSO có thể là trong không gian vũ trụ giữa các

vệ tinh, dưới nước, trong khí quyển hoặc là sự kết hợp của các loại môi trường trên trong cùng một tuyến thông tin

Kênh truyền khí quyển chứa các phần tử khí, các hạt bụi, khói và có các loại hình thời tiết như: mưa, sương mù, sự bốc hơi nước có ảnh hưởng khá lớn tới điều kiện nhiễu loạn của kênh truyền Mật độ của các hạt cao nhất ở gần bề mặt trái đất

và giảm dần khi tăng độ cao tới tầng điện ly Sự phân bố các loại khí tiêu biểu được liệt kê trong Bảng 1.2

Một đặc điểm quan trọng khác của kênh truyền trong khí quyển đó là hiện tượng nhiễu loạn khí không khí, sự nhiễu loạn không khí phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất không khí, độ cao tia truyền, tốc độ gió…, sự nhiễu loạn của khí quyển gây nên giữa các lớp không khí khác nhau có sự thay đổi về chiết suất, chính vì vậy mà kênh truyền nhiễu loạn không khí rất dễ thay đổi, khó dự đoán, chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của các điều kiện thời tiết gây nên sự dao động cả về pha lẫn cưỡng độ của bức xạ quang trong quá trình truyền lan trên kênh truyền Kết quả là gây nên tỷ lệ lỗi rất lớn do sự dao động của tín hiệu thu được Sự nhiễu loạn của khí quyển ảnh hưởng đến hệ thống FSO bao gồm:

- Lỗi lệch tia: Tia bức xạ quang do ảnh hưởng của nhiễu loạn không khí bị lệch khỏi đường truyền thẳng ban đầu của nó Điều này khiến máy thu gặp khó khăn khi thu bức xạ quang và có thể là hoàn toàn không thu được khi bức xạ quang

có đặc tính thay đổi theo thời gian và làm ảnh hưởng đến hiệu năng của các hệ

thống FSO tăng mạnh, đặc biệt là khi có ánh sáng mặt trời

- Sự thay đổi phân cực: Khi tia bức xạ đi qua môi trường nhiễu loạn, trạng thái phân cực của tia bức xạ sẽ bị thay đổi Tuy nhiên với tia bức xạ phân cực ngang, sự

thay đổi về trạng thái phân cực này có thể bỏ qua

1.2.3 Máy thu

Máy thu hỗ trợ việc khôi phục các dữ liệu đã được phát đi từ phía phát sau khi

đã chịu ảnh hưởng của môi trường Tại phía thu, tín hiệu quang được tập trung lại

và được tách, cùng với sự xuất hiện của nhiễu, bức xạ nền và méo tín hiệu Các tham số quan trọng của trường quang tại máy thu là kích thước thấu kính thu và công suất tín hiệu quang thu được, các tham số này xác định lượng ánh sáng tập trung vào bộ tách quang Với hệ thống thông tin quang, với một mức công suất phát, nếu sử dụng bộ thu có kích thước lớn thì SNR của bộ thu sẽ tăng Tuy nhiên, điều này đồng nghĩa với điện dung của bộ thu cũng tăng, làm giới hạn băng thông của máy thu

Máy thu trong hệ thống FSO bao gồm các thành phần

- Thấu kính thu: Là phần tử thu tín hiệu quang, có chức năng thu thập và tập trung bức xạ quang đến máy thu vào bộ tách sóng quang Khẩu độ thấu kính thu lớn thì sẽ có khả năng thu thập và tập trung nhiều bức xạ vào bộ tách sóng quang

- Bộ lọc thông dải quang: Có nhiệm vụ lọc và làm giảm bớt bức xạ nền

- Bộ tách sóng quang: Có nhiệm vụ chuyển bức xạ quang đến thành tín hiệu điện, các bộ tách sóng quang thường được sử dụng trong các hệ thống truyền thông quang hiện nay là PIN hoặc APD và được liệt kê trong Bảng 1.3

Bảng 1.3 Các bộ tách quang sử dụng phổ biến trong FSO [69]

Tách sóng trực tiếp: Sử dụng công suất hoặc cường độ của bức xạ quang đến máy thu để tách tín hiệu Chính vì thế mà tín hiệu đầu ra của bộ tách sóng quang

tỷ lệ với công suất của bức xạ quang Việc triển khai máy thu loại này rất đơn giản và thích hợp nhất cho những hệ thống điều chế cường độ quang

Tách sóng tổng hợp (tách sóng coherent): Loại máy thu này làm việc dựa trên hiện tượng trộn lẫn của các bức xạ quang, trường bức xạ quang đến bộ tách sóng quang sẽ được trộn lẫn với một trường bức xạ quang khác được tạo ra ngay tại bề mặt của bộ tách sóng quang Máy thu chuyển đổi tổng hợp có thể chia ra thành hai loại là máy thu đồng tần và máy thu khác tần Với máy thu đồng tần, bức xạ quang được tạo ra trên bề mặt của bộ tách sóng quang có tần số và bước sóng giống với tần số và bước sóng của bức xạ tới Máy thu khác tần thì ngược lại, bức xạ quang tạo ra trên bề mặt của bộ tách sóng quang khác với bức xạ quang tới Khác với máy thu vô tuyến tổng hợp, ở máy thu quang tổng hợp, bức xạ quang tạo ra do bộ dao động trên bề mặt của bộ tách sóng quang không cần phải có cùng pha với bức xạ tới Ưu điểm của máy thu quang tổng hợp đó là: tương đối dễ để khuếch đại tín hiệu tại tần số trung tần là tỷ số tín hiệu trên tạp âm được cải thiện đáng kể bằng cách tăng công suất của bộ dao động nội

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng lên hiệu năng hệ thống FSO

Giới hạn cơ bản của FSO do môi trường truyền dẫn gây ra, với FSO truyền trong môi trường khí quyển thì sự hoạt động của hệ thống FSO phụ thuộc rất nhiều vào thời tiết và điều kiện khí quyển Sự không cố định về tính chất của kênh truyền FSO là trở ngại lớn nhất trong việc triển khai một hệ thống FSO, tuy nhiên điều này không xảy ra chỉ với FSO, các đường truyền vô tuyến hay thông tin vệ tinh cũng bị ảnh hưởng bởi thời tiết và có thể bị mất liên kết trong điều kiện mưa lớn, tuyết, sương mù và sự nhiễu loạn của không khí Những thách thức chính trong việc thiết

kế các hệ thống FSO như sau:

- Sương mù: Sương mù là hơi nước được tập hợp từ những giọt nước nhỏ có đường kính vài trăm micro mét nhưng có thể làm thay đổi đặc tính truyền lan của ánh sáng hoặc ngăn cản hoàn toàn sự truyền lan của ánh sáng thông qua sự kết hợp của các hiện tượng hấp thụ, tán xạ và phản xạ, điều này có thể dẫn đến sự suy giảm mật độ công suất của búp sóng phát dẫn đến giảm cự ly hoạt động của tuyến FSO,

đây là một thách thức chính đối với hệ thống FSO

- Sự nhấp nháy: Sự nhấp nháy là sự biến đổi về không gian của cường độ sáng

gây ra bởi sự nhiễu loạn không khí, gió và sự thay đổi nhiệt độ tạo ra những túi khí

có mật độ thay đổi nhanh dẫn tới sự thay đổi nhanh chỉ số chiết suất, đó chính là nguyên nhân gây ra sự nhiễu loạn Các túi khí này đóng vai trò như những thấu kính

có đặc tính thay đổi theo thời gian và làm tỷ lệ lỗi bit của các hệ thống FSO tăng

mạnh, đặc biệt là khi có ánh sáng mặt trời

- Sự trôi búp: Sự trôi búp xảy ra khi luồng gió nhiễu loạn (gió xoáy) lớn hơn đường kính của búp sóng quang gây ra sự dịch chuyển chậm nhưng đáng kể của búp sóng quang Sự trôi búp cũng có thể là kết quả của các hoạt động địa chấn gây

ra sự dịch chuyển tương đối giữa vị trí của laser phát và bộ thu quang

- Sự lệch tia: Giữ thẳng hướng giữa khối phát và khối thu là rất quan trọng nhằm đảm bảo sự thành công của việc truyền tín hiệu, đây thực sự là vấn đề phức tạp khi sử dụng búp sóng hẹp phân tán góc và tầm nhìn Sự dãn nhiệt của các phần khung tòa nhà hoặc những trận động đất yếu có thể gây ra sự lệch hướng, trong khi

sự dãn nhiệt có đặc tính chu kỳ theo ngày hoặc mùa thì động đất lại không thể dự đoán được Một nguyên nhân gây ra sự lệch hướng nữa là gió, đặc biệt khi các thiết

bị thu phát được đặt trên các tòa nhà cao, sự dao động của tòa nhà là một quá trình ngẫu nhiên làm ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống và gây ra lỗi lệch tia

- Nhiễu trong hệ thống FSO: Khả năng tách sóng một tín hiệu tới của một bộ tách sóng quang bị hạn chế bởi sự thăng giáng của tín hiệu và nhiễu Hai loại nguồn nhiễu quan trọng nhất trong bộ thu quang là nhiễu lượng tử do tính chất ngẫu nhiên của quá trình chuyển đổi photon thành điện tử và nhiễu nhiệt, một loại nhiễu khác liên quan tới sự tách sóng của quá trình bức xạ quang là nhiễu dòng tối và nhiễu nền, có thể gây ra những tác động có hại trong các hệ thống FSO

1.4 Mô hình kênh truyền

Mô hình kênh truyền hệ thống thông tin FSO là môi trường biến động và phức tạp Ảnh hưởng của môi trường lên bức xạ quang sẽ gây ra tổn hao công suất, thăng giáng về biên độ và pha do nhiễu loạn khí quyển Ngoài ra, ảnh hưởng của lệch tia làm cho công suất thu của tín hiệu quang thay đổi Kênh truyền khí quyển mang bản chất ngẫu nhiên, do đó các ảnh hưởng của nó có thể đặc tính hóa bởi các mô hình thống kê Trong các nghiên cứu về hệ thống FSO, một số mô hình thống kê đã được

đề xuất để mô hình hóa đặc tính của kênh truyền khí quyển Các kiểu mô hình này phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, mức độ nhiễu loạn của kênh truyền hệ thống

1.4.1 Giới thiệu về nhiễu loạn không khí

Nhiễu loạn không khí là vấn đề gây ảnh hưởng lớn nhất đến hoạt động của một tuyến thông tin quang trong không gian tự do Khi bức xạ từ mặt trời đến trái đất, một phần sẽ bị hấp thụ bởi bề mặt trái đất, lớp không khí gần mặt đất hơn có mật độ lớn hơn nên sẽ hấp thụ nhiều nhiệt tỏa ra từ trái đất và bức xạ mặt trời hơn nên sẽ có nhiệt độ cao hơn lớp không khí ở trên Không khí có nhiệt độ cao hơn sẽ nhẹ hơn và bay lên gặp lớp không khí có nhiệt độ thấp hơn và hòa trộn một cách nhiễu loạn với nhau, gây nên sự dao động về nhiệt độ của các lớp không khí khác nhau Chính sự thay đổi về nhiệt độ này là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi về chiết suất của các lớp không khí trong khí quyển [75], vì vậy kênh truyền nhiễu loạn không khí rất dễ thay đổi, khó dự đoán, chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của các điều kiện thời tiết gây nên sự dao động cả về pha lẫn cường độ của bức xạ quang trong quá trình truyền lan trên kênh truyền Kết quả là sự nhiễu loạn không khí có thể gây nên

tỷ lệ lỗi rất lớn do sự dao động của tín hiệu thu được

Nhiễu loạn khí quyển được phân loại theo các mô hình phân bố phụ thuộc vào giá trị của tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ và được phân loại theo các mức độ yếu, trung bình và mạnh Các mô hình được mô tả bởi hàm mật độ xác suất của sự biến động trường bức xạ, trong chương này, luận án sẽ trình bày hai mô hình được sử dụng phổ biến nhất, đó là mô hình Log-Normal và Gamma-Gamma

1.4.2 Tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ

Nhiễu loạn không khí gây nên sự dao động ngẫu nhiên của chiết suất trên quãng đường truyền của bức xạ quang, sự thay đổi ngẫu nhiên này phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, độ cao, tốc độ gió, bức xạ mặt trời… Tham số quan trọng thể hiện cường độ dao động của chiết suất đó là tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ 2

10 (m ) cho trường hợp nhiễu loạn mạnh tới 17 2/3

10 (m ) cho trường hợp nhiễu loạn yếu, sự thay đổi của các thành phần không khí là ngẫu nhiên,

vì vậy giá trị của 2

n

C được xác định qua các mô hình thực nghiệm [51]

Các mô hình thực nghiệm được thường sử dụng để xác định tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ như SLC-Day (Submarine Laser Communication Day Model), HV-Day (Hufnagel-Valley Day Model), HV-Night (Hufnagel-Valley Night Model), Greenwood, các mô hình này được giới thiệu ở [51], sự thay đổi của tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ theo độ cao được thể hiện như Hình 1.2, mô hình SLC-Day phù hợp với truyền thông sử dụng tia Laser, mô hình HV-Day phù hợp với điều kiện khí hậu đồng bằng vào ban ngày, mô hình HV-Night phù hợp với điều kiện khí hậu đồng bằng vào ban đêm, mô hình Greenwood phù hợp cho các đài thiên văn khám phá vũ trụ đặt trên các đỉnh núi Nhìn chung giá trị tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ 2

trong đó, W t h là trọng số của từng khoảng thời gian, T là nhiệt độ Kelvins, RH(%)

là độ ẩm tương đối, và W ( / )S m s là tốc độ gió vuông góc với phương truyền của bức xạ quang

Bảng 1.4 Trọng số W t h tương ứng với các khoảng thời gian [65]

Khoảng thời gian (giờ) W

(kW/m ),

Hình 1.3 Tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ theo các giờ trong ngày được xác định từ

dữ liệu của trạm khí tượng thu thập được vào tháng 06 tại thành phố Hà Nội, Việt

1.4.3 Mô Hình nhiễu loạn Log-Normal

Trong mô tả hàm mật độ xác suất của sự thay đổi của bức xạ quang trong môi trường nhiễu loạn không khí, tia bức xạ được biểu thị bởi thành phần điện trường cấu thành lên nó, bằng cách sử dụng các công thức điện từ trường của Maxwell cho tia bức xạ trong trường hợp môi trường là khí quyển, ta có công thức thành phần điện trường (1.9) [62]

được định nghĩa là logarit tự nhiên của trường lan truyền E r( )và gọi nó là biến đổi Rytov Phương pháp Rytov cũng dựa trên giả thiết cơ bản là nhiễu loạn khí quyển yếu và nó được đặc trưng bởi quá trình tán xạ đơn, dùng biến đổi Rytov và cân bằng chỉ số khúc xạ trung bình của kênh, n0 1, phương trình (1.10) chuyển thành phương trình Riccati như sau:

1( k (1 n ) 0

       (1.11) Thực hiện chia tách ( )r ra làm hai thành phần là thành phần trong không gian tự do không có mặt của nhiễu loạn của khí quyển 0( )r và thành phần trong môi trường nhiễu loạn của khí quyển 1( )r Ta có ( )r  0( )r  1( )r , kết hợp

2 2

( )1

22

E p

0

L n

Với trường phân cực ngang thì thông số cấu trúc chỉ số khúc xạ 2

n

C là hằng số, thông số Rytov được tính như sau [3]:

0,123C k n L



  (1.20) Cường độ của bức xạ quang trong môi trường nhiễu loạn không khí được tính

Kết hợp công thức (1.23) với công thức (1.17), hàm mật độ xác suất của

cường độ bức xạ quang I được xác định bởi công thức (1.24):

2 0

2 2

Bằng cách đặt mối quan hệ chuẩn hóa

E l    (1.26)



  Khi sự nhiễu loạn tăng lên, các xoáy nhiễu loạn tạo ra đa tán xạ, vấn

đề này không được tính đến trong mô hình Rytov

Hình 1.4 Hàm mật độ xác suất của phâm bố L-N với các tham số chỉ số nhấp nháy

khác nhau

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Hình 1.4 biểu diễn sự phụ thuộc của hàm mật độ xác suất f x x( ) của phân bố L-N vào biến x với các giá trị khác nhau của chỉ số nhấp nháy SI Ta thấy rằng khi

giá trị của SI càng tăng thì phân bố càng trở nên sai lệch và trải rộng hơn

1.4.4 Mô hình nhiễu loạn Gamma-Gamma

Mô hình nhiễu loạn Gamma-Gamma được đề xuất bởi Andrews và Phillips [45], mô hình này được xây dựng dựa trên quá trình truyền bức xạ quang qua khí quyển chịu sự ảnh hưởng của tán xạ và khúc xạ Các thăng giáng của bức xạ quang

ở phạm vi lớn được tạo ra bởi các xoáy nhiễu loạn lớn hơn vùng Fresnel thứ nhất hoặc vùng tán xạ Các xoáy nhiễu loạn kích thước nhỏ đượng giả định được điều chế bởi các xoáy nhiễu loạn kích thước lớn Vì thế, ta có thể coi như cường độ bức

xạ quang thu chuẩn hóa I được xác định là tích của hai quá trình ngẫu nhiên độc lập thống kê ,I x I y

,

I  I I (1.30) trong đó, ,I I x y lần lượt là các thành phần của cường độ bức xạ chịu ảnh hưởng bởi các hiệu ứng tán xạ và hiệu ứng khúc xạ khi bức xạ quang truyền qua môi trường

Cả hai thành phần cường độ bức xạ đều tuân theo phân bố Gamma [45] Vì thế mà hàm mật độ xác suất của các thành phần ,I x I y được xác định bởi các công thức

Bằng cách cố định thành phần I x và thay biến I y I I/ x, hàm mật độ xác suất

có điều kiện của cường độ bức xạ I được xác định

K  là hàm hàm Bessel điều chỉnh loại hai bậc n (.) là hàm Gamma Nếu bức

xạ quang tại máy thu được giả định là sóng phẳng, thì hai tham số  , đặc trưng cho mật độ xác suất của biến động cường độ theo các điều kiện khí quyển và được xác định như sau [48]

1 2

Hình 1.5 mô tả hàm mật độ xác suất phân bố G-G với các giá trị khác nhau của chỉ số nhấp nháy SI Với giá trị SI càng tăng thì mức nhiễu loạn càng mạnh, .phân bố càng trải rộng và sai lệch Hàm mật độ xác suất L-N và G-G được thể hiện như Hình 1.6 với các giá trị khác nhau của chỉ số nhấp nháy SI Ta thấy rằng cùng .với một giá trị SI thì phân bố L-N hẹp hơn và ít bị sai lệch so với phân bố G-G Kết quả lý thuyết cũng như thực nghiệm cho thấy rằng mô hình L-N chỉ sử dụng tốt cho điều kiện nhiễu loạn yếu, khi mức độ nhiễu loạn khí quyển tăng lên, hiện tượng đa tán xạ sẽ xảy ra và điều này không được xét đến trong quá trình xây dựng nên mô

hình L-N, trong trường hợp này mô hình G-G được sử dụng

Hình 1.6 Hàm mật độ xác xuất của phâm bố G-G và L-N với các tham số chỉ số

nhấp nháy khác nhau

1.4.5 Mô hình pha-đinh do lệch tia

Đối với hệ thống truyền thông quang FSO, thông tin được truyền dẫn bởi bức

xạ quang theo đường thẳng, việc hướng bức xạ quang một cách chính xác từ máy phát tới máy thu là một vấn đề rất quan trọng trong hệ thống FSO bởi vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến tỷ lệ lỗi và độ tin cậy của toàn bộ hệ thống Lỗi lệch tia xảy ra khi tia bức xạ bị lệch đi so với kỳ vọng hay nói cách khác là độ dịch của tâm búp sóng quang và tâm thấu kính thu [63]

Để đánh giá ảnh hưởng của lỗi lệch tia, búp sóng quang được mô hình hóa theo mô hình phân bố Gauss Với chùm tia phân bố Gauss, sự phân bố không gian

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

e tại khoảng cách z tính từ nguồn phát

Dưới điều kiện nhiễu loạn khí quyển, z có thể được tính xấp xỉ bởi công thức (140) [1]

1/ 2 2

Hình 1.7 Sự lệch vùng chùm tia tới với vùng khẩu độ máy thu [1]

Hình 1.7 biểu diễn một thấu kính thu bán kính là a và vết của một búp sóng

quang dạng Gauss tại phía thu Sự tổn hao tín hiệu gây ra bởi sự mở rộng chùm búp sóng quang tại phía thu và kết hợp ảnh hưởng của lệch tia thu phát tại khoảng cách

z so với nguồn phát được xác định [1]

Vùng khẩu độ máy thu A

trong đó, X p( ) là phần công suất thu được bởi bộ thu, r là độ lệch giữa tâm búp

sóng quang và tâm thấu kính thu, A là diện tích vùng thu

Công suất thu X p( ; )r z là một hàm số của véctơ r. Tuy nhiên, do tính đối xứng của búp sóng quang và giả thiết vùng thu có dạng tròn, X p( ; )r z chỉ phụ thuộc vào biên độ của r. Vì vậy, có thể giả sử rằng véctơ độ lệch được đặt dọc theo trục

Xét các phân bố lệch hướng cho phương thẳng đứng và phương ngang là các

phân bố Gauss độc lập và đồng nhất Độ lệch hướng r tại bộ thu là một biến ngẫu

nhiên được mô hình hóa bởi phân bố Rayleigh [1]

 là phương sai jitter tại máy thu

Kết hợp công thức (1.45) và (1.43), hàm phân bố xác suất của X p( ) gây ra bởi lỗi lệch tia được xác định bởi công thức:

2 2

2 1

0 0

trong đó,   zeq/2s là tỷ số giữa bán kính búp sóng quang tương đương và độ lệch chuẩn của sự lệch hướng tại máy thu

1.5 Kỹ thuật MIMO và điều chế trong FSO

1.5.1 Giới thiệu về điều chế trong FSO

Với hệ thống FSO, có các phương thức điều chế khác nhau được sử dụng như: điều chế khóa đóng mở (OOK), điều chế vị trí xung (PPM), điều chế khóa dịch pha sóng mang con (Subcarrier – Phase-shift Keying_SC-PSK), điều chế biên độ cầu phương sóng mang con (SC-QAM) Bởi vì công suất quang phát trung bình luôn luôn có giới hạn, chính vì thế mà hiệu quả của những kỹ thuật điều chế này thường được so sánh dựa trên phương diện công suất quang thu được cần thiết để có thể đạt được tỷ lệ lỗi mong muốn

Kỹ thuật điều chế được sử dụng lâu đời nhất trong công nghệ FSO là OOK, do

sự đơn giản trong thiết kế và triển khai khi sử dụng kỹ thuật điều chế này, tuy nhiên việc sử dụng ngưỡng đóng mở cố định của OOK trong môi trường nhiễu loạn không khí là không tối ưu, gây tỷ lệ lỗi lớn Để khắc phục điều này, ta sử dụng ngưỡng đóng mở thích ứng, tức là ngưỡng có thể thay đổi tùy điều kiện nhiễu loạn và nhiễu Tuy nhiên, việc thiết kế và triển khai hệ thống FSO sử dụng OOK với ngưỡng thích ứng lại quá phức tạp [78] Một giải pháp cho vấn đề này đó là sử dụng điều chế PPM [66], phương pháp điều chế này không yêu cầu ngưỡng thích ứng cho các hệ thống FSO, ưu điểm của kỹ thuật này là hiệu suất công suất được tăng lên đáng kể

so với kỹ thuật OOK Tuy nhiên nhược điểm của nó là phức tạp về thiết kế máy thu phát, yêu cầu sự đồng bộ không gian thu phát rất chặt chẽ và cần băng thông lớn hơn so với OOK Điều chế cường độ sóng mang kết hợp điều chế biên độ cầu phương SC-QAM không yêu cầu ngưỡng đóng mở hay yêu cầu nhiều băng thông như điều chế PPM

Điều chế cường độ sóng mang con (SIM) là một kỹ thuật điều chế đã được sử dụng rất thành công trong thông tin vô tuyến đa sóng mang, kỹ thuật này cũng đã được sử dụng rộng rãi trong thông tin cáp quang ở nhiều ứng dụng khác nhau Gần đây, kỹ thuật điều chế cường độ sóng mang mới được chú ý và nghiên cứu ứng dụng trong các hệ thống FSO [29], [30], [31], [53], [70] Chính vì các mạng hiện tại

và tương lai đều đã và sẽ sử dụng kỹ thuật điều chế này, nên việc nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật điều chế vào các hệ thống FSO để có thể tích hợp chúng với các mạng hiện tại và tương lai đang ngày càng trở nên cấp thiết Bên cạnh đó, có nhiều

lý do khác dẫn đến việc nghiên cứu kỹ thuật điều chế cường độ sóng mang trong hệ thống truyền thông FSO là:

- Nó hưởng lợi từ việc các thành phần dùng cho điều chế cường độ sóng mang

đã được nghiên cứu và phát triển rất mạnh mẽ trong thông tin vô tuyến, ví dụ như các bộ tạo dao động ổn định, các bộ lọc hẹp

- Kỹ thuật điều chế này không yêu cầu phải có ngưỡng thích ứng như của điều chế OOK

- Nó có thể sử dụng để tăng dung lượng hệ thống bằng cách chứa dữ liệu từ nhiều người dùng khác nhau trên nhiều bức xạ mang tin khác nhau

- Kỹ thuật điều chế yêu cầu băng thông thấp hơn so với điều chế PPM

Tuy nhiên vẫn còn khá nhiều thách thức trong việc triển khai hệ thống FSO sử dụng điều chế SIM, đó là:

- Yêu cầu công suất phát tương đối cao: Khác với điều chế OOK, nguồn quang cần phải bật và yêu cầu công suất phát trong quá trình truyền cả bit „0‟ và bit „1‟, còn OOK chỉ yêu cầu khi truyền bit „1‟ Yêu cầu nguồn điện một chiều để đảm bảo các tín hiệu điện mà dùng để điều chế bức xạ laser sẽ không âm, hơn thế nữa, việc tăng số bức xạ sóng mang con dẫn tới tăng công suất phát trung bình, chính yếu tố này dẫn đến hiệu suất năng lượng trong hệ thống FSO sử dụng SIM thấp

- Khả năng méo tín hiệu cao hơn bởi vì tín hiệu laser vốn là không tuyến tính

và việc tín hiệu bị cắt do điều chế quá mức

- Yêu cầu đồng bộ rất nghiêm ngặt ở phía máy thu: Chính vì vậy mà việc sử dụng điều chế SIM chỉ được khuyến khích khi yêu cầu về dung lượng là cấp thiết hơn những thách thức nêu ở trên hoặc là ở những nơi mà hệ thống FSO được tích hợp với các mạng có sẵn mà đã sử dụng điều chế đa sóng mang vô tuyến

1.5.2 Điều chế biên độ cầu phương

Điều chế biên độ cầu phương (QAM) là phương pháp điều chế dựa trên việc thay đổi pha và biên độ của sóng mang Tại thiết bị thu, quá trình giải điều chế sẽ phục hồi tín hiệu cần truyền dựa trên biên độ và pha của hai sóng sin, cos nhận được

ở cùng tần số, điều chế QAM có ưu điểm là tăng dung lượng đường truyền dẫn số

hình sao

Tín hiệu sóng mang gồm hai thành phần vuông góc được điều chế bởi một tập

1

2( )t b icos(2 f t c ); (0 t T),

1.5.3 Kỹ thuật phân tập MIMO

việc truyền tín hiệu bằng cách truyền một tín hiệu giống nhau trên nhiều kênh truyền khác nhau để đầu thu có thể chọn trong số những tín hiệu thu được hoặc kết hợp những tín hiệu đó thành một tín hiệu tốt nhất Việc này nhằm chống lại fading

và nhiễu là do những kênh truyền khác nhau sẽ chịu fading và nhiễu khác nhau Người ta có thể sử dụng mã sửa lỗi chuyển tiếp (Forward Error Correction_FEC) cùng với kỹ thuật phân tập Lợi dụng việc truyền trên nhiều kênh mà ta có được độ lợi phân tập

Các phương pháp phân tập thường gặp là phân tập tần số, phân tập thời gian, phân tập không gian Trong đó, kỹ thuật phân tập không gian hiện đang rất được quan tâm và ứng dụng vào hệ thống MIMO nhờ khả năng khai thác hiệu quả thành phần không gian trong nâng cao chất lượng và dung lượng hệ thống, giảm ảnh hưởng của fading, đồng thời tránh được hao phí băng thông tần số

Kỹ thuật phân tập cho phép bộ thu thu được nhiều bản sao của cùng một tín hiệu truyền Các bản sao này chứa cùng một lượng thông tin như nhau nhưng ít có

sự tương quan về fading Tín hiệu thu bao gồm một sự kết hợp hợp lý của các phiên

Trong bộ tổ hợp kiểu quét, một bộ quét sẽ quét tất cả các nhánh nhận được từ anten nhận và lựa chọn nhấn có SNR lớn hơn một giá trị ngưỡng cho trước Đến khi nào nhánh ra này có SNR nhỏ hơn mức ngưỡng thì bộ quét sẽ quét lại tất cả các nhánh để chọn ra nhánh có SNR lớn hơn mức ngưỡng đã cho

- Bộ tổ hợp với cùng độ lợi (Equal-Gain Combining_EGC)

Bộ tổ hợp cùng độ lợi là kỹ thuật chuyển đổi tất cả các giá trị độ lợi của các nhánh đều bằng nhau và không thay đổi trong quá trình hoạt động Đầu ra là tổng của các tín hiệu đồng pha của tất cả các nhánh, có thể xem đây là một trường hợp của phương pháp tổ hợp với tỷ số tối đa

- Bộ tổ hợp với tỷ số tối đa (Maximal Ratio Combining_MRC)

Phương pháp tổ hợp với tỷ số tối đa tận dụng tốt nhất khả năng của các nhánh phân tập trong hệ thống Tất cả các nhánh đều nhân trọng số với các tỷ số tín hiệu tức thời trên nhiễu tương ứng Sau đó tín hiệu từ các nhánh được đồng pha trước khi lấy tổng tín hiệu sao cho tất cả các nhánh được gọp vào nhau theo pha sao cho tín hiệu đầu ra có tăng ích phân tập lớn nhất Tín hiệu tổng chính là tín hiệu ra thu được

Trong ba phương pháp SC, EGC và MRC, phương pháp kết hợp MRC cho phép cải thiện tỷ lệ lỗi tốt hơn nhiều so với các phương pháp EGC và SC Tuy nhiên, độ phức tạp trong thi công phương pháp MRC cao hơn nhiều so với EGC hay SC Điều này đòi hỏi phải có những đánh giá chuyên sâu về hiệu quả kinh tế khi lựa chọn phương pháp kết hợp để triển khai thực tế

1.6 Các thông số đánh giá hiệu năng của hệ thống

Hiệu năng của hệ thống truyền dẫn có thể được đánh giá thông qua nhiều tham

số khác nhau, khi đánh giá hiệu quả hệ thống FSO tùy thuộc vào phương pháp điều chế và các yêu cầu khác nhau của hệ thống mà hiệu năng có thể được đánh giá qua các thông số khác nhau, đối với hệ thống FSO sử dụng điều chế SC-QAM tác giả đã

sử dụng hai tham số để đánh giá hiệu năng của hệ thống đó là: tỷ lệ lỗi ký tự trung bình ASER và dung lượng kênh trung bình ACC Giá trị của các tham số hiệu năng vừa nêu đều phụ thuộc vào một tham số qua trọng là tỷ số tín hiệu trên nhiễu, được

ký hiệu là SNR

1.6.1 Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình

Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình được xác định tại máy thu, là tỷ số giữa số ký tự thu

bị lỗi trên tổng số ký tự được phát đi trong một khoảng thời gian xác định, ASER là hàm số của tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR Việc xác định ASER của các hệ thống truyền thông số thực tế thường được thực hiện nhờ máy đo ASER Đối với các nghiên cứu trong luận án, ASER được xác định dựa trên tính toán lý thuyết thông qua các mô hình toán học và dựa trên mô phỏng

1.6.1.1 Hệ thống SISO/FSO

Đối với hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật SISO, tỷ lệ lỗi ký tự trung bình P se

được xác định bởi công thức [30]

P P  f  d (1.50) trong đó, P e( ) và f( ) lần lượt là hàm xác suất lỗi có điều kiện (CEP) và hàm mật độ xác suất của SNR tức thời, 

1.6.1.2 Hệ thống MIMO/FSO

Đối với hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật MIMO gồm M nguồn phát và N

máy thu, tỷ lệ lỗi ký tự trung bình của hệ thống được xác định bởi công thức [31]

1.6.2.1 Hệ thống SISO/FSO

Dung lượng kênh là một thông số ngẫu nhiên và giá trị trung bình của nó được gọi là dung lượng kênh trung bình, và được ký hiệu C Đối với hệ thống truyền .thông quang FSO sử dụng kỹ thuật SISO giá trị của dung lượng kênh trung bình được xác định bởi công thức [30]

2

C    f  d (bit/s/Hz), (1.52) trong đó, B là băng thông kênh truyền,  là giá trị SNR tức thời của hệ thống, ( )

từ các hàm mật độ xác suất thành phần ( )

mn mn

f 

1.7 Kết luận chương 1

Nội dung của Chương 1 trình bày về mô hình, các phần tử và nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền thông quang không dây Suy hao đường truyền phụ thuộc vào thời tiết và nhiễu loạn khí quyển và lỗi lệch tia Ngoài ra, mô hình pha-đinh do lệch tia giữa máy phát và máy thu trong điều kiện rung lắc của các tòa nhà cũng được trình bày trong chương này Các tham số hiệu năng như tỷ lệ lỗi ký tự trung bình và dung lượng kênh trung bình cho các cấu hình khác nhau của hệ thống được trình bày ở phần cuối của chương Nội dung Chương 1 cũng đã trình bày chi tiết về

mô hình giải tích, thống kê của kênh truyền hệ thống thông tin quang không dây FSO, trong đó mô hình hóa các ảnh hưởng của các tham số chính của kênh truyền lên cường độ tín hiệu quang tại phía thu như: tổn hao đường truyền, nhiễu loạn khí quyển và pha-đinh do lỗi lệch tia

CHƯƠNG 2 ẢNH HƯỞNG CỦA LỖI LỆCH TIA LÊN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ SC-QAM

2.1 Giới thiệu chương

Kênh truyền FSO đóng vai trò hết sức quan trọng trong nghiên cứu về hiệu năng hệ thống FSO do hầu hết các yếu tố ảnh hưởng lên hiệu năng hệ thống là từ kênh truyền Trong các giải pháp cải thiện hiệu năng, truyền dẫn chuyển tiếp là một giải pháp hiệu quả nhất trong việc cải thiện cự ly của hệ thống FSO Truyền dẫn chuyển tiếp cũng giúp loại bỏ yêu cầu về đường truyền tầm nhìn thẳng giữa nút nguồn và nút đích Các phương pháp tiếp cận phổ biến được nghiên cứu là khuếch đại và chuyển tiếp (AF) được phân tích trong [43], [44], [50], [55], [56], [67] Trong công bố [67], T A Tsiftsis và các cộng sự đã đánh giá xác suất lỗi cho hệ thống FSO đa chặng xét cho mô hình K và mô hình Gamma-Gamma mà không tính đến suy hao đường truyền Trong nghiên cứu [57], xác suất lỗi của hệ thống chuyển tiếp được tính toán trên cơ sở xem xét cả suy hao đường truyền và ảnh hưởng của nhiễu loạn Nghiên cứu trong [50] chỉ ra rằng xác suất lỗi được giảm thiểu khi các nút liên tiếp được đặt cách đều nhau dọc theo đường truyền Kết quả của các nghiên cứu đã chứng minh rằng truyền dẫn FSO chuyển tiếp có các ưu điểm là cải thiện đáng kể hiệu năng Các nghiên cứu này đã chứng minh tính hữu ích của truyền dẫn chuyển tiếp là một phương pháp để mở rộng cự ly truyền dẫn, nhưng không nhấn mạnh nó

là một kỹ thuật chống lại các ảnh hưởng của pha-đinh Đối với hệ thống FSO chuyển tiếp, các nghiên cứu đánh giá hiệu năng hệ thống có đầy đủ các tham số đường truyền còn rất hạn chế, và việc sử dụng phương thức điều chế SC-QAM cho

hệ thống với đầy đủ các tham số đường truyền là chưa được thực hiện

Nội dung của chương này trình bày về hiệu năng của hệ thống FSO điểm-điểm

sử dụng kỹ thuật khuếch đại-và-chuyển tiếp AF và điều chế SC-QAM Với hệ thống FSO chuyển tiếp, nghiên cứu sinh đã xây dựng mô hình giải tích khảo sát hiệu năng của hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển [J1], [C2] và chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia [J2], [J3] Tiếp theo, từ các mô hình giải tích, nghiên cứu sinh tính toán các công thức của các tham số đánh giá hiệu năng hệ thống như: tỷ lệ lỗi ký tự trung bình ASER trong trường hợp nhiễu loạn khí quyển yếu [J1], [J3], nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh [J1], [C2] và dung lượng kênh trung bình ACC cho các trường hợp nhiễu loạn [C3] Cuối cùng là khảo sát, đánh giá hiệu năng của

hệ thống dưới ảnh hưởng của các tham số đường truyền, đặc biệt là nhiễu loạn khí quyển và lỗi lệch tia

2.2 Hệ thống FSO điểm-điểm sử dụng chuyển tiếp

Như đã phân tích ở Chương 1, do ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn, để đảm bảo hiệu năng, cự ly truyền dẫn của một tuyến FSO bị hạn chế trong phạm vi

cự ly ngắn và yêu cầu đường truyền thẳng LOS Để mở rộng cự ly truyền dẫn, hệ thống FSO chuyển tiếp đã được đề xuất và thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu trong thời gian gần đây Trong hệ thống FSO điểm-điểm sử dụng kỹ thuật

chuyển tiếp, tín hiệu từ nút nguồn S được truyền tới nút đích D qua c nút trung gian gọi là nút chuyển tiếp R R1, 2, ,R c1,R c Các nút chuyển tiếp trung gian không thực hiện việc tách/ghép mà chỉ thực hiện nhận tín hiệu từ nút trước nó và truyền tín hiệu tới nút tiếp theo.

Hệ thống FSO chuyển tiếp có thể được minh họa trong Hình 2.1 Tại các nút chuyển tiếp, tùy thuộc vào các kỹ thuật xử lý tín hiệu trong miền điện hay miền quang mà hệ thống FSO có thể chia thành hai loại là hệ thống FSO chuyển tiếp điện

và hệ thống FSO chuyển tiếp quang Với phạm vi nghiên cứu của luận án, nghiên cứu sinh thực hiện nghiên cứu đánh giá hiệu năng của hệ thống FSO chuyển tiếp điện AF

Hình 2.1 Mô hình hệ thống FSO chuyển tiếp

Mô hình chi tiết hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC-QAM được

mô tả như Hình 2.2 Tại nút nguồn, dữ liệu đầu vào trước tiên được chia thành các khối, mỗi khối tín hiệu gồm log M2 bit từ nguồn dữ liệu đầu vào sẽ được điều chế trước tiên bởi bộ điều chế M IM Q QAM, trong đó M I,M Q lần lượt là số mức của tín hiệu đồng pha và tín hiệu cầu phương

Tín hiệu điện e t( ) tại đầu ra của bộ điều chế điện QAM được xác định:

( ) ( )cos(2 c ) ( )sin(2 c ),

e t s t  f t s t  f t (2.1) trong đó, ( )s tI i ia t g t i( ) ( iT s) và ( )s tQ j jb t g t j( ) (  jT s) lần lượt là tín hiệu đồng pha nhánh I và tín hiệu cầu phương nhánh Q ; a t i( ), b t j( ) lần lượt là thành phần đồng pha và thành phần cầu phương; g t( ) là hàm tạo dạng xung; T s là chu kỳ kí tự và f c là tần số sóng mang con

Hình 2.2 Nút nguồn, nút chuyển tiếp và nút đích của hệ thống FSO chuyển tiếp

Tín hiệu điện e t( ) tại đầu ra bộ điều chế điện QAM sẽ được sử dụng điều chế cường độ bức xạ quang mang tin, sau khi điều chế cường độ quang, tín hiệu ( ) ở đầu ra bộ điều chế quang:

  s1 [ ( )cos(2I c ) Q( )sin(2 c )] ,

s t P  s t  f t s t  f t (2.2) trong đó, P s là công suất phát trung bình trên ký tự,  là hệ số điều chế Tín hiệu

( ) sẽ được phát đi bởi thấu kính phát và sau khi chịu suy hao trong không khí a1,nhiễu loạn khí quyển X t1( ), tín hiệu quang s t1( ) nhận được tại nút chuyển tiếp thứ nhất

1 1 1( ) s 1 [ ( )cos(2I c ) Q( )sin(2 c )]

s t a X t P  s t  f t s t f t (2.3) Tín hiệu quang s t1( ) đến nút chuyển tiếp thứ nhất, tại nút này tín hiệu được chuyển đổi quang-điện, khuếch đại, chuyển đổi điện-quang và được tiếp tục truyền tới nút tiếp theo Thành phần một chiều a X t P1 1( ) s trong s t1( ) sẽ bị lọc bởi sau khi

đi qua bộ lọc thông dải, tín hiệu điện e t1( ) tại đầu ra của nút chuyển tiếp thứ nhất:

a) Nút nguồn

Mạch điều chế cường độ quang E/O

( )

e t

( ) Laser

Dữ liệu ra

trong đó,  là hệ số chuyển đổi quang-điện, P1 là hệ số khuếch đại ở trạm chuyển tiếp thứ nhất, v t1( ) là hàm nhiễu tổng cộng, có thể được mô hình hóa như là một quá trình nhiễu trắng Gauss (AWGN) với mật độ phổ công suất nhiễu là N0

Tiếp tục quá trình như trên cho c nút chuyển tiếp của hệ thống, tại mỗi trạm chuyển tiếp tín hiệu chuyển đổi quang-điện, khếch đại và chuyển đổi điện-quang, tín hiệu tới phía thu sẽ thực hiện tổng c1 quá trình chuyển đổi quang-điện, tín hiệu điện ở đầu ra của diode tách quang (PD) của nút đích sau khi truyền qua c nút

chuyển tiếp được xác định

2 1

1 1

0 1

/

c c

2.3 Mô hình trạng thái kênh truyền

Tín hiệu điệu thu được ở phía máy thu với hệ thống FSO điểm-điểm được xác định bởi công thức (2.5), trong đó X i là trạng thái kênh truyền chặng thứ i , với X

thể hiện thăng giáng ngẫu nhiên của tín hiệu thu gây ra bởi suy hao đường truyền

l

X , nhiễu loạn khí quyển X a và lỗi lệch tia giữa máy thu và máy phát X p

Trạng thái kênh truyền X được mô hình hóa bởi công thức [70]

X  X X X (2.7)

2.3.1 Suy hao đường truyền

Sự suy hao của tín hiệu trong bầu khí quyển là hệ quả của quá trình hấp thụ và tán xạ, và phụ thuộc vào nồng độ vật chất và điều kiện thời tiết khác nhau, với một

l l

Kích thước hạt sương tương đối lớn so với dải bước sóng sử dụng trong hệ thống FSO Do đó, có thể coi sương mù là nguyên nhân chính gây tán xạ photon và

nó góp phần vào sự suy giảm công suất quang Tán xạ Mie sẽ được mô tả dựa trên

các công thức thực nghiệm theo dải tầm nhìn V (m) Dải tầm nhìn là khoảng cách

mà một chùm sáng song song đi qua trong bầu khí quyển cho đến khi cường độ của

nó giảm xuống còn 2% so với giá trị ban đầu Mô hình thực nghiệm phổ biến cho tán xạ Mie được cho bởi mô hình Kruse như sau [74]:

3,91

,550

q l

V



   

  (2.9)

trong đó, V là tầm nhìn tính theo km,  là giá trị của bước sóng khi tính theo đơn

vị nm, q là thông số phụ thuộc vào phân bố kích thước hạt và tầm nhìn V Thông

số tầm nhìn theo sự phân bố kích thước các hạt được thể hiện như Bảng 2.1 [74]

Bảng 2.1 Thông số tầm nhìn theo sự phân bố kích thước hạt

2.3.2 Nhiễu loạn khí quyển

Nhiễu loạn khí quyển dẫn tới sự biến đổi ngẫu nhiên của chỉ số khúc xạ khí quyển dọc theo tuyến đường truyền dẫn của bức xạ quang qua môi trường khí quyển Trong công thức mô hình trạng thái kênh truyền (2.7), sự biến đổi tín hiệu

2.3.2.1 Mô hình nhiễu loạn Log-Normal

Hàm mật độ xác suất của sự biến đổi cường độ bức xạ quang X a trong trường hợp nhiễu loạn khí quyển yếu được xác định bởi mô hình nhiễu loạn L-N [51]

2 2 2

[ln( ) 0,5 ]1

22

Để xác định hàm mật độ xác suất của sự biến đổi cường độ bức xạ quang của

hệ thống FSO có kết hợp c trạm chuyển tiếp ta dựa vào công thức (2.10), trong trường hợp này với c trạm chuyển tiếp tương ứng với c1 chặng nhiễu loạn, các chặng là đồng nhất và cùng khoảng cách, vì vậy để xác định hàm mật độ xác suất của sự biến đổi bức xạ quang của hệ thống FSO chuyển tiếp ta cần xác định hàm mật độ xác suất của trạng thái kênh truyền 1

c a

Để xác định hàm mật độ xác suất của X a, ta lấy đạo hàm công thức (2.14) theo biến Y ta được:

1 1 1

1

.1

kênh nhiễu loạn ứng với hệ thống có c trạm chuyển tiếp, mối liên hệ giữa các hàm mật độ xác suất f Y( ) và f X( a) được xác định như sau:

1

2 1

Hình 2.3 biểu diễn hàm mật độ xác suất mô hình nhiễu loạn L-N với giá trị của chỉ số nhấp nháy SI 0,15 Ta thấy rằng, với giá trị của số trạm chuyển tiếp càng tăng thì phân bố càng trở nên sai lệch Vì vậy đối trong trường hợp tăng số trạm chuyển tiếp thì cần phải giảm tối thiểu giá trị của chỉ số nhấp nháy, giá trị này

càng bé thì sự sai lệch càng nhỏ

2.3.2.2 Mô hình nhiễu loạn Gamma-Gamma

Hàm mật độ xác suất của sự biến đổi cường độ bức xạ quang X a gây ra bởi nhiễu loạn khí quyển trong trường hợp nhiễu loạn từ trung bình đến mạnh được xác định bởi mô hình nhiễu loạn G-G [51]

trong đó, (.) là hàm gamma, K  (.) là hàm Bessel điều chỉnh, và các thông số 

và  được xác định bởi công thức

c trạm chuyển tiếp tương ứng với c1 kênh nhiễu loạn, 1

c a

X 

Từ công thức (2.16) kết hợp với công thức (2.18), hàm mật độ xác suất sự biến đổi cường độ bức xạ quang của hệ thống FSO với c trạm chuyển tiếp trong trường hợp mô hình nhiễu loạn G-G được xác định:

sự dịch chuyển r của điểm tới của tâm tia bức xạ so với tâm vòng tròn khẩu độ

được coi như là tuần theo phân bố Gauss, và mô hình hóa bởi phân bố Rayleigh [1]

trong đó s là biến jitter tại máy thu

Hàm mật độ xác suất của sự biến đổi tín hiệu gây ra bởi lỗi lệch tia thu phát được cho theo công thức sau [1]

2 2

2 1

0 0

x t

là hàm lỗi, 0 là bán kính tia bức xạ tại máy phát, z là bán kính tia bức xạ tại

0 0(1 2 / )

     và 0 (0,55C k L n2 2 )3/5 là độ dài kết hợp (coherence length)

2.4 Tổng hợp biến đổi tín hiệu cho toàn hệ thống

Trạng thái kênh truyền được mô hình bởi công thức (2.7), trong phần 2.3 ta đã xét đến sự biến đổi của bức xạ quang gây ra bởi từng thành phần, sự biến đổi tín hiệu gây ra bởi suy hao đường truyền X l, nhiễu loạn khí quyển X a và lỗi lệch tia giữa máy thu và máy phát X p Để mô hình hóa trạng thái kênh cho hệ thống, chúng

ta cần mô hình hóa quá trình biến đổi ngẫu nhiên của X là đại diện cho sự biến đổi của bức xạ quang trong quá trình truyền từ phía phát đến phía thu Để phân tích sự ảnh hưởng của lệch tia lên hiệu năng của hệ thống, ta thực hiện tổng hợp biến đổi với trường hợp hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển và lỗi lệch tia

2.4.1 Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển

Đối với trường hợp hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển, việc thực hiện tổng hợp biến đổi tín hiệu cho hệ thống khá đơn giản Như đã phân tích ở Chương 1, các tham số hiệu năng là hàm của SNR Từ công thức lên hệ giữa SNR

và trạng thái kênh của hệ thống (2.6) kết hợp với công thức liên hệ giữa các hàm mật độ xác suất (2.23), ta thực hiện biến đổi (2.17) và (2.20) về hàm của đại lượng SNR

2

1 2

2.4.2 Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia

Với hệ thống chịu ảnh hưởng của lệch tia, để có được biểu thức tổng hợp biến đổi tín hiệu cho hệ thống, trước tiên ta sử dụng công thức [70]

f X f X X f X dX (2.28) trong đó, f X X aX X a là hàm xác suất có điều kiện của X với điều kiện trạng thái nhiễu loạn X a, f X a X a là hàm mật độ xác suất của X a Hàm xác suất có điều kiện

2.4.2.1 Nhiễu loạn khí quyển yếu

Công thức xác suất có điều kiện (2.29) kết hợp với hàm mật độ xác suất của sự biến đổi tín hiệu gây ra do lỗi lệch tia thu phát (2.22), ta viết lại công thức (2.29) như sau:

2 2

1 2

( / ) 0

2 2

0

1

0 2

0,5

2(c 1)( )

0,5ln( / X )1

2.4.2.2 Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh

Thay công thức hàm mật độ xác suất mô hình nhiễu loạn G-G (2.20) và công thức (2.30) vào công thức tổng hợp biến đổi tín hiệu (2.28), hàm mật độ xác suất của trạng thái kênh truyền với trường hợp phân bố G-G

2 2

2 ( )