BER TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY ĐA CHẶNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT DF

BER TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY ĐA CHẶNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT DF Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền thông quang không dây, bao gồm khái niệm, cấu trúc, ưu nhược điểm. Chương 2: Giới thiệu các kỹ thuật chuyển tiếp trong hệ thống thông tin quang đa chặng, bao gồm các kỹ thuật chuyển tiếp điện và chuyển tiếp quang. Chương 3: Đánh giá BER của hệ thống truyền thông quang không dây đa chặng sử dụng kỹ thuật tách và chuyển tiếp (DF).

NGUYỄN HỮU HẢI

BER TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY ĐA CHẶNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT DF

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

MÃ SỐ: 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2014

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học:

Vào lúc: 15 giờ 30 ngày 09 tháng 08 năm 2014

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

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

MỞ ĐẦU

Các hệ thống truyền thông quang sử dụng sợi quang hiện nay

có khả năng truyền tải với dung lượng lớn, kết nối nhiều người dùng

và cung cấp nhiều loại dich vụ như thoại, fax, hình ảnh, số liệu Cùng

có khả năng truyền dẫn tốc độ cao, nhưng các hệ thống truyền thông quang qua không gian FSO lại dễ dàng lắp đặt, di chuyển hoặc thiết lập lại cấu hình mạng khi cần FSO có độ an toàn cao vì sử dụng thông tin tầm nhìn thẳng LOS và tính hướng của búp sóng quang cao

Cự ly hoạt động của một tuyến FSO thường ngắn từ vài trăm mét tới vài km Việc triển khai các hệ thống FSO đa chặng cũng giúp khắc phục khó khăn khi không có đường truyền LOS giữ máy phát và máy thu, và tăng khoảng cách truyền dẫn

Nội dung luận văn, BER của hệ thống truyền thông quang không dây đa chặng FSO sử dụng kỹ thuật DF được bố cục như sau:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền thông quang

không dây, bao gồm khái niệm, cấu trúc, ưu nhược điểm

Chương 2: Giới thiệu các kỹ thuật chuyển tiếp trong hệ

thống thông tin quang đa chặng, bao gồm các kỹ thuật chuyển tiếp điện và chuyển tiếp quang

Chương 3: Đánh giá BER của hệ thống truyền thông quang

không dây đa chặng sử dụng kỹ thuật tách và chuyển tiếp (DF)

CHƯƠNG1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG

QUANG KHÔNG DÂY FSO

1.1 Giới thiệu chung

FSO là công nghệ viễn thông sử dụng sự truyền lan ánh sáng trong không khí để truyền tín hiệu giữa hai điểm 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

1.2 Mô hình hệ thống FSO

hệ thống FSO gồm ba phần: bộ phát, kênh truyền và bộ thu hình 1.2

n quang

(LED/

LASER)

khôi phục i u i

tách ng quang

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) hoặc điều chế ngoài, 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 Match-Zehnder

1.2.2 bộ thu

Bộ thu hỗ trợ việc khôi phục các dữ liệu đã được phát đi từ phía phát Bộ thu bao gồm các thành phần sau:

tới bộ tách sóng quang Khẩu độ (độ mở) của bộ thu lớn sẽ giúp tập hợp được nhiều phát xạ quang vào bộ tách sóng quang

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

1.3 Các đặc điểm của hệ thống FSO

1.3.1 Ưu điểm

a, Băng thông điều chế rộng

b, Búp sóng hẹp: Phát xạ quang có búp sóng rất hẹp, trong khoảng

0.01 – 0.1mrad Điều này cho thấy rằng công suất phát chỉ tập trung trong một vùng rất hẹp

c, Không yêu cầu cấp phép phổ tần

d, Triển khai nhanh chóng

1.3.2 Hạn chế

Hạn chế chính của hệ thống FSO chủ yếu do môi trường truyền dẫn gây ra Ngoài việc tuyết và mưa có thể làm cản trở đường truyền quang, FSO chịu ảnh hưởng mạnh bởi sương mù và sự nhiễu loạn của không khí Những thách thức chính trong việc triển khai các

hệ thống FSO như sau (hình 1.5):

1.4 Các ứng dụng của hệ thống FSO

a, Truy nhập chặng cuối

b, Dự phòng tuyến sợi quang

c, Kết nối back-haul cho mạng tế bào

và tin cậy Tuy nhiên, do ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn, khả năng ứng dụng của FSO vẫn bị giới hạn trong các ứng dụng với cự ly truyền thông ngắn

CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP TRONG

HỆ THỐNG FSO ĐA CHẶNG

2.1 Giới thiệu hệ thống truyền thông FSO đa chặng

Truyền thông FSO đa chặng được đề xuất như là một giải pháp để hạn chế ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn và tăng cự ly truyền thông của hệ thống FSO Truyền đa chặng là chuyển tiếp tín hiệu từ nút nguồn (bộ phát) tới nút đích (bộ thu) qua các bộ trung gian gọi là bộ chuyển tiếp Kỹ thuật truyền dẫn quang đa chặng giúp tăng vùng phủ sóng và độ tin cậy của hệ thống FSO bằng cách chia quãng đường truyền dẫn thành các chặng nhỏ, do đó làm giảm sự ảnh hưởng của fading trong môi trường truyền dẫn tại mỗi chặng hình 2.1

k=0

K=M+1

Hình 2.1 Truyền thông quang đa chặng

2.2 Các kỹ thuật chuyển tiếp điện

2.2.1 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp điện AF

O/E E/O

ch i

Hình 2.2 Sơ đồ bộ khuếch đại và chuyển tiếp điện

Trong kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp điện (AF) truyền thống, tín hiệu quang thu được tại thấu kính thu của mỗi bộ chuyển tiếp được chuyển đổi thành dòng điện nhờ bộ tách quang (O/E) Tiếp theo, tín hiệu điện được khuếch đại bởi một bộ khuếch đại điện với một hệ số khuếch đại xác định ở mỗi bộ chuyển tiếp Sau đó tín hiệu điện đã được khuếch đại sẽ được điều chế thành tín hiệu quang rồi truyền tới bộ chuyển tiếp tiếp theo

Hệ thống FSO đa chặng sử dụng kỹ thuật AF thì sơ đồ và tín hiệu được mô tả như hình 2.3

Hình 2.3 Sơ đồ FSO dùng chuyển tiếp AF

2 Kỹ thuật tách và chuyển tiếp DF

Hình 2.4 Sơ đồ của bộ tách tín hiệu và chuyển tiếp DF

Trong hệ thống DF FSO, tại mỗi bộ chuyển tiếp trung gian, tín hiệu quang được thu và chuyển thành tín hiệu điện Sau đó, các bit tín hiệu điện được tách trước khi truyền đi Trong kỹ thuật DF, nhiễu tại mỗi chuyển tiếp được loại bỏ và không được truyền tới nút tiếp theo Tín hiệu được tái tạo lại không có nhiễu và phát đi với công suất trung bình bằng với công suất tại nút nguồn

Hệ thống FSO đa chặng sử dụng kỹ thuật DF thì sơ đồ và tín hiệu được mô tả như hình 2.5

Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống FSO dùng chuyển tiếp DF

2.3 Các kỹ thuật chuyển tiếp quang

2.3.1 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp quang OAF

2.3.1.1 Giới thiệu

các phần tử quang, những ảnh hưởng của nhiễu loạn không khí tới tổng khoảng cách truyền thông và việc sử dụng các kỹ thuật chuyển tiếp để giúp hệ thống FSO có thể truyền trên một khoảng cách xa hơn Các thiết bị thu quang băng thông rộng, với khoảng cách truyền thông ngắn qua không gian tự do, ví dụ như 10Gbps TereScope TS-10GE, khuyến nghị thay thế các bộ vi xử lý điện bằng các thành phần quang trong các bộ chuyển tiếp Kĩ thuật khuếch đại và chuyển tiếp quang được minh họa trong Hình 2.8

Hình 2.8 Hệ thống thông tin FSO toàn quang

Như trong hình 2.8, mỗi bộ chuyển tiếp gồm toàn các phần

tử quang như thấu kính quang, sợi quang, và bộ khuếch đại quang Tại mỗi bộ chuyển tiếp, ánh sáng nền bị cộng thêm vào trường dữ liệu quang thu được Sau đó, nhiễu và dữ liệu được khuếch đại bởi

Sợi quan

g

G

Bộ khuếch đại

và chuyển tiếp quang

một bộ khuếch đại quang và truyền tới bộ chuyển tiếp tiếp theo hoặc tới máy thu

2.3.2 Kỹ thuật tách và chuyển tiếp quang ODF

2.3.2.1 Cấu trúc chuyển tiếp ODF

Cấu trúc của chuyển tiếp ODF trong hình 2.17

Hình 2.17 Cấu trúc chuyển tiếp ODF

Khi bộ tách quang được sử dụng trong hệ thống FSO với nhiễu trắng đã được tích lũy, bộ lọc băng thông (BPF) với tần số tín hiệu trung tâm là 𝜔0, được đặt tại đầu vào của bộ tách để loại bỏ nhiễu ra khỏi quang phổ của tín hiệu Băng thông của bộ lọc là bằng với băng thông của bộ tách sóng quang Băng thông của bộ tách sóng quang phụ thuộc vào tốc độ bit truyền, với giá trị thích hợp nó sẽ giúp hệ thống đạt được BER ở bộ thu là tốt nhất Ở đây giả định rằng các bộ lọc quang không làm tổn hao các tín hiệu quang Các tín hiệu

sau khi lọc được khuếch đại với độ khuếch đại là G 1 để có thể điều chỉnh công suất trung bình của tín hiệu tới một giá trị thích hợp cho

quá trình tái tạo lại Giá trị tối ưu độ khuếch đại G 1 phụ thuộc vào SNR trung bình thu tại mỗi bộ chuyển tiếp với công suất trung bình

G 2

được thực hiện bởi bộ tách quang Các xung tách lại được khuếch đại

bởi bộ khuếch khác với G 2 và được phát tới kênh truyền tiếp theo Hệ

số khuếch đại G 2 đạt được sao cho công suất trung bình phát tại đầu

ra của mỗi bộ chuyển tiếp là bằng công suất phát trung bình tại

2.3.2.2 Bộ tách quang

Phân tích quá trình tách tín hiệu, cấu trúc của bộ tách quang được miêu tả ở hình 2.19:

Hình 2.19 Cấu trúc của bộ tách quang

Quá trình tách được thực hiện bằng tự điều chế pha (SPM) trên tín hiệu trong môi trường phi tuyến (NL), tần số lọc 𝜔𝑓được xác định liên quan tới tần số sóng mang 𝜔0tại đầu vào

2.4 Kết luận

Chương này đã nghiên cứu cơ bản về các kỹ thuật chuyển tiếp trong cả miền điện và miền quang, trong đó đi sâu trình bày về các kỹ thuật chuyển tiếp quang Hiệu năng của hệ thống FSO chuyển tiếp điện sẽ được trình bày trong chương 3

CHƯƠNG 3: BER TRONG HỆ THỐNG FSO ĐA CHẶNG

SỬ DỤNG KỸ THUẬT DF 3.1 Mô hình hệ thống FSO đa chặng sử dụng kỹ thuật DF

3.1.1 Giới thiệu

3.1.2 Mô hình kênh FSO đa chặng

Môi trường không khí không phải là một kênh truyền thông

lý tưởng Sự không đồng nhất về nhiệt độ và áp suất của không khí dẫn tới sự thay đổi của chỉ số khúc xạ dọc theo tuyến đường truyền dẫn, hay còn được gọi là sự nhiễu loạn không khí Điều này gây ra các hiện tượng khác nhau như suy hao chọn lọc tần số (do hấp thụ và tán xạ), sự nhấp nháy và dãn xung

Hệ số kênh h mô hình hóa suy hao ngẫu nhiên của kênh truyền h tăng do 3 hệ số sau: (1) sự nhấp nháy do khí quyển (2) suy hao đường truyền và phân kỳ búp sóng h l, (3) suy hao công suất do sự

giãn xung h b Do đó hệ số kênh được biểu diễn như sau:

h=h a h l h b (3.1) 3.1.2.1 Mô hình thống kê khí quyển

Do sự nhiễu loạn không khí, cường độ tín hiệu được quan sát bởi bộ tách quang ở cuối đường truyền dao động một cách tự do Hiện tượng này còn được gọi là sự nhấp nháy và cũng là trở ngại chính đối với hệ thống FSO

3.1.2.2 Suy hao đường truyền và phân kỳ búp sóng Một phương pháp để tính suy hao đường truyền và phân kỳ búp sóng sẽ được giới thiệu trong mục này Giá trị của suy hao do

phân kỳ búp sóng phụ thuộc vào phạm vi thu được tín hiệu A và góc

phân kỳ búp sóng 

3.1.2.3 Mô hình xung truyền lan

Do ảnh hưởng của nhiễu loạn không khí, các xung truyền đi

sẽ chịu ảnh hưởng của hiện tượng giãn xung

3.1.3 Mô hình hệ thống FSO đa chặng sử dụng kỹ thuật DF

Mô hình hệ thống FSO đa chặng sử dụng kỹ thuật DF được biểu diễn trên hình 3.1

Hình 3.1 Mô hình hệ thống FSO đa chặng sử dụng kỹ thuật DF

Hệ thống sử dụng điều chế cường độ (IM) và điều chế

M-PPM ở máy phát trong khi ở phía thu sử dụng tách sóng trực tiếp

chuyển tiếp (BDF) được sử dụng trong hệ thống Trong mô hình này,

một máy thu và máy phát được đặt tương ứng ở phía nguồn và đích

Mỗi bộ chuyển tiếp có một cặp thu phát, chúng được nối với nhau

theo kiểu back-to-back

Ở nút nguồn (nút 0), dữ liệu vào được điều chế bởi bộ điều

chế PPM Mỗi khối dữ liệu b = log2M bit được ánh xạ với một trong

M kí hiệu (s0, s1, ,s M ), trong đó M = 2 b Khoảng thời gian mỗi kí

hiệu T w, được chia thành M khe thời gian riêng biệt và một xung

quang với năng lượng trung bình không đổi P t được gửi đi tại một

trong M khe thời gian, trong khi M-1 khe thời gian còn lại được để

trống Với tốc độ bit là R b bit trên giây, khoảng thời gian mỗi kí hiệu

được tính theo công thức T w = b/R b và do đó các khe thời gian có độ

dài T s = b/MR b Biên độ của xung quang ở khe thời gian có tín hiệu

và không có tín hiệu có thể được viết như sau:

E

t E t

n i

s i i





(3.13)

trong đó r là pha của sóng mang quang nhận được.

h1,  là hệ số kênh của liên kết giữa nút thứ i-1 và nút i

Ở mỗi nút chuyển tiếp hoặc nút đích, tín hiệu trước hết được

tách trực tiếp ở APD Dòng quang điện trung bình ở đầu ra của APD

thu được sử dụng tách sóng quang theo luật bình phương (square

law) như sau:

s i b i , 1 i t n

i

s i i

n GP

n P h

P G I

I

vớiI i s và I i n là tín hiệu thu tương ứng với khe thời gian có

tín hiệu và không có tín hiệu của kí hiệu PPM Trong công thức

(3.14),  và G tương ứng là đáp ứng và độ khuếch đại trung bình của

APD P t là công suất trung bình của xung Gauss có biên độ U(t) P b là

công suất nhiễu nền của ánh sáng tới ở bộ tách quang n i s và n i nkí

hiệu tạp âm cộng của khe có tín hiệu và không có tín hiệu

Ở bộ giải điều chế PPM của nút đích, các dòng quang điện

tổng hợp qua các khe thời gian M được so sánh, và vị trí của khe có

cường độ dòng điện lớn nhất sẽ xác định kí hiệu được truyền và tái

tạo dữ liệu nhị phân bit ‘0’ hoặc bit ‘1’ Trong trường hợp chuyển

tiếp, bit được gửi với năng lượng mới P t tới bộ chuyển tiếp tiếp theo

3.2 Phân tích hiệu năng

Trong phần này ta phát triển một mô hình toán học cho việc

tính toán tỉ lệ lỗi bit (BER) của các hệ thống FSO đa chặng Công

truyền thông đa chặng sử dụng sợi quang do sự khác nhau về mô

hình kênh truyền Cụ thể hơn, hệ số kênh của sợi quang là không đổi,

chứ không biến đổi một cách ngẫu nhiên như môi trường vô tuyến

(3

3.2.2 Tỉ số lỗi bit BER

Trong phần này, trước tiên ta tính BER của hệ thống FSO

đơn chặng sử dụng M-PPM với bộ thu APD Dựa vào BER của hệ

thống FSO đơn chặng, ta sẽ tính toán BER của hệ thống FSO đa

chặng

P sep là xác xuất lỗi ký hiệu tại bộ thu của nút thứ i với i = 1,

2, …N+1, BER tại nút thứ i (P i) sau đó có thể được tính toán như

sau:

i  P sep

1 M 2

M P



 (3.19) (3.19) Giả sử rằng dữ liệu được truyền là đủ lớn để xác suất truyền

của bất kỳ ký hiệu nào cũng là như nhau Không mất tính tổng quát,

giả sử rằng ký hiệu s0 được truyền đi Bằng cách sử dụng kết hợp các

kỹ thuật giới hạn chung, giới hạn trên của xác suất lỗi ký hiệu tức

thời có thể được biểu diễn bởi:

s i n i 1

M

1 u

0 0 i u i

0 u

i 0 i sep

dh SNR Q

h f 1 M

I I Pr 1 M s

s I I Pr

s s , 1 M , , 1 u I I Pr 1