TÍNH TOÁN, TỐI ƯU TUYẾN THÔNG TIN QUANG KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM

Trong đồ án, đầu tiên em nghiên cứu về kỹ thuật FSO một cách tổng quát. Sau đó, em đi sâu tìm hiểu các vấn đề về hoạt động của một tuyến FSO trong điều kiện Việt Nam. Từ đó rút ra công thức thực nghiệm phục vụ cho việc tính toán thiết kế. Sau đó xây dựng lưu đồ thuật toán, ứng dụng vào việc tính toán tuyến FSO khoảng cách 1km tại Đà Nẵng với điều kiện thời tiết mưa lớn nhất 120mmh và rất ít sương mù, nếu có cũng rất nhẹ và thời gian ngắn. Cuối cùng là mô phỏng bằng Matlab. Đồ án được thể hiện qua các chương với nội các chương như sau: • Chương 1 trình bày nhu cầu băng thông hiện tại, xu hướng phát triển cuộc sống thông minh, vấn đề “last mile” và các hệ thống “last mile” tồn tại ở Việt Nam, giải pháp quang không dây cho vùng “last mile”. • Chương 2 Chương này giới thiệu chi tiết hơn về đặc trưng của hệ thống quang không dây như đặc điểm đường truyền trong FSO, yếu tố ảnh hưởng, đánh giá, nâng cao chất lượng tuyến quang không dây • Chương 3 Chương này trình bày về khí hậu ở Việt Nam, tính toán độ suy hao tuyến FSO thực tế có thể có tại Việt Nam, tính toán độ dự trữ công suất và BER của tuyến FSO, thiết kế và tối ưu tuyến FSO tại Đà Nẵng. Sau đó, dựa trên các thông số cho trước như độ nhạy máy thu, khoảng cách tuyến và đặc điểm kênh truyền, xây dựng lưu đồ thuật toán để tính toán tối ưu công suất phát, tốc độ bit, tỉ lệ lỗi bit BER và bước sóng bằng Matlab.

Mục Lục

Lời cảm ơn Error! Bookmark not defined

Danh mục từ viết tắt 4

Lời nói đầu 5

Chương 1: KỸ THUẬT QUANG KHÔNG DÂY 6

1.1 Giới thiệu chung 6

1.2 Nhu cầu băng thông của người dùng tại Việt Nam 6

1.3 Vấn đề “last mile” và giải pháp thông tin quang không gian 7

1.3.1 Thuật ngữ “last mile” 7

1.3.2 Vấn đề của hệ thống last mile đang tồn tại 8

1.3.3 Truyền dẫn thông tin hiệu quả 9

1.4 Những giải pháp vùng last mile đang tồn tại ở Việt Nam 10

1.4.1 Những hệ thống có dây 10

1.4.2 Những hệ thống không dây 11

1.4.3 Vấn đề tồn tại của hệ thống phân phát “last mile” 13

1.4.4 Giải pháp thông tin quang không dây 14

1.5 Kỹ thuật quang không dây (Free Space Optics) 15

1.5.1 Khái niệm 15

1.5.2 Các công nghệ cơ bản 15

1.6 Ứng dụng FSO vào mạng viễn thông 17

1.6.1 Kết nối truy cập tới người dùng 18

1.6.2 Mạng MAN thành phố, LAN to LAN trong các tổ chức doanh nghiệp lớn 19

1.6.3 GSM và 3G 19

1.7 Kết luận 20

Chương 2: TUYẾN QUANG KHÔNG DÂY 21

2.1 Giới thiệu chương 21

2.2 Đặc điểm đường truyền trong FSO 21

2.2.1 Các loại suy hao trong môi trường truyền dẫn FSO 21

2.2.2 Ảnh hưởng của sự thay đổi không khí đến chất lượng tín hiệu 23

2.3 Yếu tố ảnh hưởng, đánh giá, nâng cao chất lượng tuyến quang không dây 25

2.3.1 Tham số ảnh hưởng đến chất lượng của tuyến truyền 25

2.3.2 Tham số đánh giá chất lượng cúa tuyến 28

2.3.3 Tham số nâng cao chất lượng của tuyến 30

2.4 Lựa chọn tần số 31

2.4.1 Ảnh hưởng của sự suy giảm không khí tới bước sóng 32

2.4.2 Thiết bị thu phát 32

2.4.3 Sự an toàn với mắt người 33

2.4.4 Sự thực hiện 33

2.5 Kết luận chương 34

Chương 3: TÍNH TOÁN, TỐI ƯU TUYẾN THÔNG TIN QUANG KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM 35

3.1 Giới thiệu chương 35

3.2 Khí hậu Việt Nam 35

3.3 Tính toán độ suy hao tuyến FSO thực tế có thể có tại Việt Nam 36

3.4 Tính toán độ dự trữ công suất và BER của tuyến FSO 38

3.5 Thiết kế, tối ưu tuyến FSO tại Đà Nẵng 39

3.5.1 Các thông số đầu vào 39

3.5.2 Lưu đồ thuật toán 40

3.5.3 Chương trình Matlab 41

3.5.4 Kết quả bằng đồ thị của chương trình Matlab 44

3.5.5 Kết luận chương 45

3.5.6 Hướng phát triển đề tài 45

Tài liệu tham khảo 46

Danh mục hình ảnh

Hình 1 Mô hình vấn đề last mile 8

Hình 2.Vấn đề last mile 13

Hình 3 Giải pháp quang không dây 14

Hình 4 Mô hình thu phát quang không dây 16

Hình 5 Giao diện giữa tuyến FSO và Switch, Router, Bridge 16

Hình 6 Vấn đề định hướng thẳng hàng của các bộ thu phát quang trong hệ thống 17

Hình 7 Mô hình mạng phân phối trong thành phố bằng kĩ thuật FSO 18

Hình 8 Mô hình tuyến nối LAN to LAN bằng FSO 19

Hình 9 Mô hình mạng xương sống trong hệ thống thông tin di động 20

Hình 10 Ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ đế tuyến FSO 22

Hình 11 Sự thay đổi không khí và C n được đo ở San Diego, Califonia 24

Hình 12 Quan hệ phương sai và tham số cấu trúc không khí 25

Hình 13 Điều kiện sương mù/bão tuyết ở Denver, Colorado 28

Hình 14 Hệ số BER trên khoảng cách ở 1,25Gb/s 29

Hình 15 Tốc độ dữ liệu trên khoảng cách 29

Hình 16 Thời gian sống của diode tăng theo nhiệt độ 30

Hình 17 Thời gian sống của diode tăng theo nhiệt độ 31

Danh mục từ viết tắt

CSMA-CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect

WLAN Wireless Local Area Network

DSL Digital Subcriber Line

OSI Open Systems Interconnection model

PON Passive Optical Network

DWDM Dense W avelength Division Multiplexing

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier

APD (Si-APD) Silicon Avalanche Photodiode

Lời nói đầu

Trong đồ án, đầu tiên em nghiên cứu về kỹ thuật FSO một cách tổng quát Sau đó, em

đi sâu tìm hiểu các vấn đề về hoạt động của một tuyến FSO trong điều kiện Việt Nam

Từ đó rút ra công thức thực nghiệm phục vụ cho việc tính toán thiết kế Sau đó xây dựng lưu đồ thuật toán, ứng dụng vào việc tính toán tuyến FSO khoảng cách 1km tại

Đà Nẵng với điều kiện thời tiết mưa lớn nhất 120mm/h và rất ít sương mù, nếu có cũng rất nhẹ và thời gian ngắn Cuối cùng là mô phỏng bằng Matlab

Đồ án được thể hiện qua các chương với nội các chương như sau:

 Chương 1 trình bày nhu cầu băng thông hiện tại, xu hướng phát triển cuộc sống thông minh, vấn đề “last mile” và các hệ thống “last mile” tồn tại ở Việt Nam, giải pháp quang không dây cho vùng “last mile”

 Chương 2 Chương này giới thiệu chi tiết hơn về đặc trưng của hệ thống quang không dây như đặc điểm đường truyền trong FSO, yếu tố ảnh hưởng, đánh giá, nâng cao chất lượng tuyến quang không dây

 Chương 3 Chương này trình bày về khí hậu ở Việt Nam, tính toán độ suy hao tuyến FSO thực tế có thể có tại Việt Nam, tính toán độ dự trữ công suất và BER của tuyến FSO, thiết kế và tối ưu tuyến FSO tại Đà Nẵng Sau đó, dựa trên các thông số cho trước như độ nhạy máy thu, khoảng cách tuyến và đặc điểm kênh truyền, xây dựng lưu đồ thuật toán để tính toán tối ưu công suất phát, tốc độ bit,

tỉ lệ lỗi bit BER và bước sóng bằng Matlab

Chương 1: KỸ THUẬT QUANG KHÔNG DÂY

1.1 Giới thiệu chung

Chương này trình bày nhu cầu băng thông hiện tại, xu hướng phát triển cuộc sống thông minh, vấn đề “last mile” và các hệ thống “last mile” tồn tại ở Việt Nam, giải pháp quang không dây cho vùng “last mile”

1.2 Nhu cầu băng thông của người dùng tại Việt Nam

Nhu cầu sử dụng Internet và các dịch vụ ứng dụng trên nền Internet băng rộng ở Việt Nam ngày càng tăng

Năm Số người dùng % số dân cư

sử dụng

Tổng băng thông kết nối trong nước (Mbps)

Tổng số thuê bao băng thông rộng (xDSL)

đa phương tiện như: tải và lưu thông tin, nghe nhạc trực tuyến, xem phim trực tuyến, chơi game trực tuyến đang bùng nổ mạnh mẽ, đặt ra nhiều yêu cầu cho những công nghệ mới

Những con số thống kê này cho thấy tiềm năng rất lớn của nghành công nghiệp nội dung số Còn với nhà cung cấp dịch vụ Internet, việc nâng cấp độ bao phủ băng rộng hay áp dụng những công nghệ mới nhằm tăng chất lượng kết nối là cần thiết

Ngoài ra, đất nước ta đang bước vào giai đoạn phát triễn mới, khi có nhiều công

ty đa quốc gia, các ngân hàng thương mại lớn mạnh, sự bùng nỗ dịch vụ điện thoại di dộng trên nền 3G… thì yêu băng thông đến khách hàng lớn ngày càng cấp bách Hiện tại đang có dịch vụ kết nối cáp quang đến các quán Internet nhưng việc lắp đặt cáp quang tỏ ra rất khó khăn Nếu xét việc đào đường tại Thành phố Hồ Chí Minh để xây dựng hệ thống cống nước và cáp ngầm thì ta thấy thiệt hại hàng chục tỉ đồng mỗi ngày

vì sự kẹt xe Trong các đô thị lớn, việc tìm một giải pháp mới cho tuyến kết nối giữa nhà cung cấp và khách hàng là 1 vấn đề đáng quan tâm

Với sự phát triển của kinh tế thế giới cùng sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật đặc biệt trong lĩnh vực thông tin truyền thông đã làm cho đời sống con người ngày càng văn minh hơn Và con người đang tiến tới một thế giới thông minh hơn, trong đó con người là trung tâm Việt Nam đang vận động theo xu thế đó Con người sử dụng những công nghệ mới để phục vụ cho việc trao đổi thông tin và điều khiển mọi hoạt động phục vụ đời sống và sản xuất

Công nghệ quang không dây, với ưu điểm của tốc độ truyền thông tin và sự linh hoạt của phương thức truyền không dây sẽ sớm được ứng dụng vào cuộc sống

1.3 Vấn đề “last mile” và giải pháp thông tin quang không gian

1.3.1 Thuật ngữ “last mile”

“Last mile” là kết nối cuối phân phối từ nhà cung cấp thông tin tới khách hàng Khoảng cách thực sự của nó lớn hơn 1 dặm, đặc biệt là ở vùng nông thôn Nó được xem như một thách thức lớn cho các nhà cung cấp dịch vụ bởi vì việc triển khai rộng khắp dây và cáp dẫn là nhiệm vụ khó khăn Để giải quyết vấn đề này nhằm mang lại những dịch vụ tốt nhất đến khách hàng ở vùng “last mile”, một số công ty đã kết hợp

công nghệ không dây và có dây với nhau Ví dụ như mạng điện thoại cố định không dây

1.3.2 Vấn đề của hệ thống last mile đang tồn tại

Yêu cầu truyền thông thông tin tốc độ nhanh, độ trễ thấp và dung lượng cao đang tăng rộng khắp đã khiến cho việc phân phối và phân phát thông tin một cách kinh

tế trở nên quang trọng hơn Khi việc trao đổi thông tin tăng mạnh, cụ thể là sự phát triển của Internet, yêu cầu về một phương pháp truy cập tốc độ cao cho hàng triệu người dùng trở nên cấp bách Vì những điều kiện đã thay đổi nên các mạng và hệ thống tồn tài trước đây sử dụng cho mục đích này trở nên không phù hợp Đến nay, nhiều hướng kĩ thuật được phát triển và sử dụng nhưng không có một giải pháp đơn lẻ nào giải quyết triệt để vấn đề này Đó là vấn đề “last mile”

Hình 1 Mô hình vấn đề last mile

Một hệ thống truyền dẫn hoàn chỉnh đang tồn tại với nhiều phân cấp kênh dẫn

Hệ thống này có nhiều kênh dẫn mang một lượng tin nhỏ qua khoảng cách ngắn tới

được kết hợp lại và vận chuyển qua khoảng cách dài từ nhiều cổng riêng lẽ Những kênh dẫn dung lượng nhỏ, khoảng cách ngắn chỉ phục vụ cho một nhóm nhỏ người dùng cuối

Những đường dẫn dung lượng cao trong hệ thống có khả năng vận chuyển hiệu quả một lượng tin qua khoảng cách dài Chỉ một phần nhỏ lượng tin được truyền sẽ bị mất mát vì suy hao, thất lạc Để có được như vậy ta cần phải đầu tư 1chi phí lớn cho các đường trục xương sống Điều kiện tương tự là không cần thiết đối các đường dẫn nhỏ Lí do vì ta phải phân cấp độ hiệu quả cho hệ thống và vì các đường dẫn nhỏ được đặt gần điểm cuối (người dùng) Mặc dù chúng nhỏ hơn nhưng mỗi kênh vẫn tốn một phí tổn cho việc lắp đặt, vận hành và duy trì một đường truyền phù hợp cho luồng dữ liệu Các ngõ vào và tài nguyên dùng cho các đường nhỏ này đến từ nơi gần nhất Việc quản lí và nguồn tài nguyên cho nó là các thực thể địa phương nên có thể tối ưu để đạt được kết quả tốt nhất Tuy nhiên do hiệu quả hoạt động thấp và chi phí lắp đặt lớn, so với dung lượng truyền khiêm tốn, là nguyên nhân mà những kênh dẫn nhỏ này là phần khó khăn và chi phí lớn nhất cho việc hoàn thành hệ thống phân phối đến người dùng

Tóm lại vấn đề last mile là cách để phục vụ một khối lượng khổng lồ người dùng nhu cầu thông tin một cách kinh tế nhất Để có được đường dẫn như ý muốn ta phải xem xét các điều kiện để tạo ra một đường dẫn hiệu quả

1.3.3 Truyền dẫn thông tin hiệu quả

Trước khi xem xét những đặc điểm các kĩ thuật phân phát thông tin đang tồn tại, việc xem xét điều gì tạo nên một phương tiện truyền dẫn hiệu quả là rất quan trọng Theo lý thuyết Shannon-Hartley, dung lượng kênh được xác định bởi băng thông B và tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu SNR Mà dung lượng kênh xác định tốc

độ dữ liệu tối đa có thể truyền trên kênh đó Và ngoài ra yếu tố khoảng cách truyền mà vẫn đảm bảo tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) cũng rất quan trọng Vậy những phương tiện truyền dẫn “last mile” hiệu quả phải:

 Phân phát được công suất tín hiệu, tức kênh truyền phải thích hợp với mức công suất tín hiệu

 Suy hao thấp (ít xảy ra sự biến đổi sang các dạng năng lượng không mong muốn)

 Hỗ trợ băng thông rộng

 Truyền dẫn với tỉ số tín hiệu trên nhiễu (S/N) cao, công suất nhiễu thấp

 Cung cấp các nối kết linh hoạt

 Ngoài những nhân tố này, một giải pháp tốt cho vấn đề last mile phải mang lại cho người dùng:

 Khả năng sẵn sàng sử dụng và độ tin cậy cao

 Dung lượng trên một người dùng cao

- Một đường dẫn được chia sẻ giữa nhiều người dùng phải cung cấp dung lượng cao tương ứng để hỗ trợ hợp lý mỗi người dùng Điều này đúng cho việc truyền thông tin mỗi hướng

- Dung lượng yêu cầu có khả năng được mở rộng tối đa

1.4 Những giải pháp vùng last mile đang tồn tại ở Việt Nam

1.4.1 Những hệ thống có dây

 Mạng khu vực cục bộ (LAN)

Là một mạng máy tính bao phủ một khu vực địa lý nhỏ như nhà ở, cơ quan hoặc một nhóm các tòa nhà nhỏ như trường học, sân bay Đặc điểm của mạng LAN tương phản với mạng khu vực diện rộng WAN, bao gồm tốc độ truyền dữ liệu cao, khu vực địa lý nhỏ và không phù hợp cho đường truyền kênh riêng (lease line) Kĩ thuật Ethernet trên cáp xoắn đôi và WLAN đang được sử dụng phổ biến nhất cho mạng này Ethernet là một họ của kĩ thuật mạng máy tính dựa trên việc truyền dữ liệu khung, định nghĩa chuẩn dây dẫn và tín hiệu cho lớp vật lý của mô hình OSI Sử dụng giao thức đa truy cập cảm nhận sóng mang có phát hiện xung đột (CSMA-CD)

Mặc dù mạng LAN sử dụng giao thức CSMA-CD nhưng với đặc tính đường truyền và nhiều người dùng cùng truy cập đường dẫn đã hạn chế tốc độ dữ liệu và khoảng cách địa lí

 Telephone

Trong thế kỷ 20, chúng ta đã nâng cao khả năng sử dụng đường dây điện thoại hiện có nhằm tăng dung lượng Tuy rằng chiều dài tối đa phải được kiểm soát chặt chẽ, nhưng với sự hổ trợ cho băng thông truyền dẫn cao và kĩ thuật điều chế cải tiến, những đường dây thuê bao số (DSL) tăng dung lượng lên 20-30 lần so với hệ thống băng thoại ban đầu Tuy nhiên, với đặc điểm vật lí cơ bản, những giới hạn của môi trường truyền đồng thời xuất hiện những tổng dài IP cung cấp các dịch vụ phi thoại nên hệ thống đường dây cần được thay thế bởi một hệ thống mới, đáp ứng yêu cầu của người dùng tốt hơn

 CATV (cáp truyền hình)

Truyền hình cáp là một hệ thống cung cấp chương trình truyền hình cho khách hàng bằng việc truyền tín hiệu tần số vô tuyến qua cáp đồng trục thay cho phương pháp truyền hình quảng bá truyền thống (phát sóng vô tuyến qua không khí) Các chương trình đài FM, Internet tốc độ cao, thoại và các dịch vụ phi hình cũng được cung cấp Hệ thống truyền hình cáp đã được mở rộng để cung cấp thông tin hai chiều trên đường cáp vật lý sẵn có Nhưng băng thông cho hướng thông tin từ khách đến mạng và tỉ số S/N đạt được là bị giới hạn Nên người dùng gặp 1 giới hạn trên khi chia

sẽ cáp truyền hình với các người dùng khác

1.4.2 Những hệ thống không dây

 Sóng vô tuyến

Sử dụng tần số thấp tới siêu cao tần Sự suy hao đường truyền chủ yếu là suy hao không gian tự do, tăng nhanh theo khoảng cách do đó máy thu nhận tín hiệu rất thấp Trong kĩ thuật truyền sóng vô tuyến đường kính anten thay đổi theo bước sóng

để thu được tín hiệu tốt hơn Và chỉ những bước sóng ngắn thích hợp cho truyền thông với dung lượng lớn nhưng khoảng cách lại bị giới hạn Nói chung vì sóng mạng của sóng vô tuyến radio nhỏ hơn 100GHz nên trên lí thuyết không thể truyền băng thông lớn hơn 1Gbps và không phải lúc nào cũng thực hiện Vậy vẫn không thể thỏa mãn yêu cầu băng thông rất lớn của khách hàng lớn

 Truyền tin quảng bá phát thanh và truyền hình

Truyền hình, phát thanh mặt đất hoạt động dải 50MHz đến 1000MHz chỉ đáp ứng yêu cầu băng thông cho dịch vụ truyền hình Và không thích hợp với việc truyền song công

 Truyền tin không dây song công

Hệ thống không dây song công đầu tiên giới hạn cho những ứng dụng dung lượng thấp như audio, facimile hoặc điện báo đánh chữ Hệ thống dung lượng cao giới hạn ở tần số UHF hoặc siêu cao tần và ở đường truyền điểm-điểm Hệ thống dung lượng cao hơn như hệ thống di động tế bào thế hệ 3G yêu cầu cơ sở hạ tầng lớn hơn của những địa điểm cell đặt gần nhau để duy trì thông tin trong môi trường điển hình, nơi suy hao đường truyền lớn hơn trong không gian tự do, nơi truy cập nhiều hướng từ người dùng Và đặt biệt tốc độ không cao, độ an toàn và phí sử dụng không phù hợp với các khách hàng lớn, các doanh nghiệp, tổ chức kinh tế xã hội

 Thông tin vệ tinh

Hệ thống vệ tinh có vùng phủ sóng rộng do đó phục vụ được nhiều người dùng cùng chia sẻ thông tin Nhưng đường truyền vệ tinh địa tĩnh rất dài nên không thích hợp cho những ứng dụng thời gian thực Như là giải pháp cho vùng last mile, hệ thống

vệ tinh giới hạn về những ứng dụng và phạm vị chia sẻ Vì đường truyền dài nên tín hiệu bị suy giảm nghiêm trọng trừ khi sử dụng anten trạm mặt đất định hướng cao và tiết diện lớn Vệ tinh phải có dung lượng cao để đảm bảo nhu cầu của nhiều người dùng cùng chia sẻ và mỗi người dùng có anten lớn, với yêu cầu về độ định hướng cao

để thu được tín hiệu

Yêu cầu về hệ thống vệ tinh dung lượng cao và truyền tin hai hướng không kinh

tế (do chi phí lắp đặt hệ thống vệ tinh) Do đó hệ thống vệ tinh không thành công

1.4.3 Vấn đề tồn tại của hệ thống phân phát “last mile”

Mạng cáp quang tồn tại rộng khắp và lượng cáp quang được lắp đặt tiếp tục phát triển Với sự hoàn thiện bộ ghép kênh phân chia theo mật độ bước sóng (DWDM) khả năng mang thông tin là khổng lồ Có thể đạt được ít nhất dung lượng 10Tbps trên

1 sợi quang đơn mode Dung lượng này, về lý thuyết, cho phép tới 1 triệu thuê bao 10Mbps đồng thời trên một cáp quang đơn mode Tuy nhiên vấn đề là làm sao đưa những dung lượng này tới những thuê bao thực sự, những người không có sự truy cập cáp quang trực tiếp tới mạng

Hình 2.Vấn đề last mile

Hiện tại, dung lượng lớn nhất phục vụ thuê bao là từ truy cập có dây (cáp đồng) tới mạng, Vì cáp quang kết nối những trạm chuyển mạch của công ty viễn thông trong khu vực đô thị còn khách hàng tạo kết nối tới trạm này Việc sử dụng cáp xoắn đôi cho người dùng truy cập ở tốc độ 128Kbps→2.3Mbps Hầu hết truy cập dạng này thông qua đương dây thuê bao số DSL( digital subcriber lines) với giới hạn 144kb/s, ADSL( asynchronous DSL) giới hạn 8Mbps Cáp modem có thể cung cấp tốc độ truy cập khoảng 30 Mb/s, nhưng nhiều thuê bao chia sẽ 1 sợi cáp và thường có vài thuê bao cùng sử dụng trong 1 thời điểm nên tốc độ thực sự giảm xuống đáng kể

Vấn đề bắt cầu sẽ được giải quyết bằng việc lắp đặt cáp quang tới mỗi thuê bao Nhưng điều này là chưa thể thực hiện khi không có đủ số lượng thuê bao,do chi phí lắp đặt cao Hệ thống thông tin quang không dây giải quyết yêu cầu này

1.4.4 Giải pháp thông tin quang không dây

Quang không dây mang lại một giải pháp hấp dẫn cho vấn đề “last mile”, đặc biệt cho nhưng vùng đô thị mật độ dân đông Dich vụ quang không dây cung cấp nhu cầu băng rộng mà không cần mở rộng việc xây dựng cấu trúc hạ tầng cơ sở đắt tiền

Bộ thu phát quang có thể lắp đặt trong cửa sổ hoặc trên nóc tòa nhà và thông tin tới node cục bộ mang đến kết nối quang độc lập cho mỗi thuê bao Cách này thuê bao chỉ trả chi phí lắp đặt từ thuê bao tới node mạng

Hình 3 Giải pháp quang không dây

Giải pháp quang không dây cho vùng last mile với khoảng cách < 300m và khi nhiều tòa nhà mọc lên thì khoảng cách này giảm xuống nhằm đảm bảo kết nối tin cậy cho thuê bao và node mạng

Tương lai không xa, việc xây dựng cơ sở hạ tầng công nghệ quang không dây như là một sự mở rộng đối với Internet, phụ thuộc vào sự đảm bảo những topo vật lý động cơ bản, có thể điều khiển sự truy cập mềm dẻo và chắc chắn Hơn nữa sự mở

rộng này sẽ tương thích với mạng đường dây băng rộng để đạt yêu cầu về truyền dẫn

và quản lý dữ liệu Tb

Quang không dây là sự bổ sung hoàn chỉnh cho kĩ thuật không dây RF Phổ tần

số RF đang trở nên dày đặc và nhu cầu cho băng rộng tăng rất nhanh Tuy nhiên, ở tần

số sóng mang thấp, thậm chí với những vị trí phổ tần mới trong vùng Giga Hz, những thuê bao cá nhân chỉ đạt được băng thông khiêm tốn, đặc biệt trong vùng đông dân cư

Vì kĩ thuật không dây truyền thống là công nghệ quảng bá tất cả những thuê bao trong một cell phải chia sẻ băng thông sẵn có, những cell phải được lập nhỏ hơn để hạn chế phổ cứu nguy trong những cell lân cận Nghiên cứu gần đây cho thấy, mạng không không thể tăng mật độ, kích thước và số lượng cũng bị giới hạn Quang không dây là cách giải pháp hay cho vấn đề này

1.5 Kỹ thuật quang không dây (Free Space Optics)

1.5.1 Khái niệm

FSO (free space optics) là 1 kỹ thuật viễn thông sử dụng phương pháp truyền ánh sáng trong môi trường không gian tự do để truyền dữ liệu giữa 2 điểm Đó là kỹ thuật truyền băng rộng tầm nhìn thẳng sử dụng tín hiệu được điều chế bằng xung ánh sáng để truyền dữ liệu không dây Thay vì các xung ánh sáng được truyền trong sợi quang, chúng được truyền trong các luồng áng sáng hẹp xuyên qua không khí

1.5.2 Các công nghệ cơ bản

Kỹ thuật FSO là kết nối mạng không dây dùng ánh sáng thay cho sóng radio; là kết nối quang dựa trên cơ sở Laser mà không dùng sợi quang Nó dựa trên kết nối giữa các thiết bị quang không dây, mỗi thiết bị bao gồm các bộ thu phát quang để truyền và nhận tín hiệu quang để tạo ra kết nối song công Tại mỗi điểm kết nối sử dụng 1 nguồn quang và 1 thấu kính để truyền ánh sáng xuyên qua không khí tới thấu kính bên thu nhận thông tin Tại đây, thấu kính được kết nối tới 1 bộ thu có độ nhạy cao qua sợi quang

Một đường kết nối quang không gian FSO bao gồm 2 bộ thu phát quang hướng thẳng vào nhau 1 cách chính xác với tấm nhìn thẳng không có vật cản Thông thường, các bộ thu phát quang thường được đặt trên sân thượng hay sau cửa kính của tòa nhà

cao tầng Đường kết nối FSO có thể hoạt động trong khoảng cách vài trăm mét đến vài ngàn mét

Hình 4 Mô hình thu phát quang không dây

Hình 5 Giao diện giữa tuyến FSO và Switch, Router, Bridge

Tia sáng cỡ một cây bút rất khó để định hướng thiết bị thu phát của hệ thống FSO Vì vậy các thấu kính được sử dụng để mở rộng chùm tia sáng Nếu ta trải rộng tia sáng 1 góc 6 mili radian thì với khoảng các 1km ta có đường kính 6m Trải rộng tia

có 2 mục đích; đầu tiên là cho phép lắp đặt dễ dàng hơn, và hơn nữa là cho phép sự dịch chuyển tương đối các tòa nhà hay các trụ mà hệ thống đặt trên đó

Hệ thống FSO dùng phổ tần hồng ngoại, vùng có tần số nhỏ hơn phổ tần thấp nhất của ánh sáng thấy được Đặc biệt, các tín hiệu quang sử dụng ánh sáng ở phạm vi tần số 1 THz Ở tần số này, tín hiệu có bước sóng vào khoảng μm (1μm =

1/1.000.000m) Các hệ thống FSO hiện đại ngày nay dùng 2 khoảng bước sóng 850nm và 1550nm

780-Thách thức lớn nhất của công nghệ quang không gian tự do là suy hao rất lớn

và thay đổi với biên độ rộng phụ thuộc vào thời tiết Suy hao lớn nhất là do sương mù, tuyết( khí hậu ôn đới); hơi nước, sương sớm, mưa( khí hậu nhiệt đới) Chính điều này làm cho khoảng cách của đường truyền FSO bị hạn chế trong pham vi vài km

Sự thẳng hàng thu phát của hệ thống có yếu tố quyết định Tia hồng ngoại là không đồng nhất, phần lớn năng lượng tập trung ở vùng trung tâm của tia sáng Vậy khi định hướng thẳng hàng, thiết bị thu phải ở vùng trung tâm

Hình 6 cho ta thấy sự phân bố cường độ ánh sáng của luồng ánh sáng khi được truyền đi Ở trung tâm cường độ ánh sáng tập trung cao nên cần phải định hướng bộ thu vào trung tâm luồng ánh sáng Và khi đó ổn định tuyến, xác suất hoạt động tốt của

hệ thống sẽ tốt hơn rất nhiều khi để mất độ định hướng

Hình 6 Vấn đề định hướng thẳng hàng của các bộ thu phát quang trong hệ thống

1.6 Ứng dụng FSO vào mạng viễn thông

Các ưu điểm của hệ thống FSO như: tốc độ truyền dữ liệu cao, không trả phí định kỳ, không cần đăng kí tần số, lắp đặt nhanh, không có giao thoa, nhiễu xuyên âm

sóng radio, bảo mật cao FSO là lựa chọn tốt nhất khi ít nhất 2 trong các ưu điểm trên

là cần thiết cho kỹ thuật truyền tin Những đặc điểm này làm kỹ thuật FSO phù hợp với các ứng dụng sau:

1.6.1 Kết nối truy cập tới người dùng

FSO được sử dụng ngày càng nhiều như là 1 kỹ thuật “cầu nối” để mở rộng hệ thống mạng của các nhà cung cấp đến những nơi mà việc lắp đặt sợi quang là không kinh tế để cung cấp 1 truy cập tốc độ cao

Hình 7 Mô hình mạng phân phối trong thành phố bằng kĩ thuật FSO

Trong hình trên, ta có thể xem đây là 1 khu vực thành phố đã phát triển lâu Các đường màu đen lớn là các đường trong thành phố Nhà cung cấp có 1 đường backbone bằng sợi quang đến trạm POP, có thể qua điểm A, B Nhưng thật không kinh tế khi ta kéo sợi quang đến từng thuê bao

Tại các điểm A, B, C ta dùng kỹ thuật FSO để cung cấp đường truy cấp tốc độ hàng trăm Mbit/s cho khách hàng Thậm chí ta cung có thể xây dựng đường trục từ POP đến A, B, C bằng các “cầu nối” vài Gbps

1.6.2 Mạng MAN thành phố, LAN to LAN trong các tổ chức doanh nghiệp lớn

FSO có thể cung cấp 1 giao diện Ethernet trong môi trường LAN to LAN Điều này làm giảm bớt vấn đề kinh tế trong việc thiết lập các kết nối, giao diện giữa các khu vực, và việc hổ trợ đơn giản

Vì vậy người quản lí mạng có thể xây dựng 1 mạng Fast Ethenet trong khu vực nhà trường, kí túc xá, với các kết nối điểm tới điểm đơn giản, với sự tối thiểu về kinh

1 sự thay thế cho đường kết nối viba truyền thống được sử dụng để kết nối các cell và giữa các cell với mạng FSO cung cấp 1 băng thông lớn, không yêu cầu sự cấp phép nào, cho phép nhà điều hành mạng triển khai mạng nhanh chóng và giá thành thấp

Hình 9 Mô hình mạng xương sống trong hệ thống thông tin di động

1.7 Kết luận

Với sự phát triển nhanh chóng nhu cầu truy cập băng rộng, sự ra đời các công nghệ băng rộng là cấp thiết hơn bao giờ hết Và như đã trình bày trong chương này thì các công nghệ hiện tại mà hoặc không đáp ứng được yêu cầu băng thông như hệ thống đường dây điện thoại hoặc gặp nhiều khó khăn trong việc thực hiện vì chi phí và vướng mắc cở sở hạ tầng hiện tại như việc lắp đặt tuyến quang Trong khi đó công nghệ quang không gian là một giải pháp lý tưởng Công nghệ này có những ưu điểm vượt trội như băng thông cực lớn nhờ dùng ánh sáng để truyền thông tin, khoảng cách hợp lí cho những giải pháp “last mile”so với những công nghệ khác

Tuy vậy còn nhiều vấn đề cần giải quyết để hoàn thiện và đưa hệ thống vào thực tế Và vấn đề lớn nhất là sự ảnh hưởng và phụ thuộc rất lớn vào điều kiện thời tiết môi trường Điều này là xuất phát từ đặt trưng hệ thống dùng ánh sáng có bước sóng trong phạm vị suy hao và tán xạ lớn do các hạt lơ lững trong không khí như sương, mưa phùn, hơi ẩm Công việc của ta la phải hiệu rõ hoạt động của tuyến FSO và đánh giá các tác động và tìm ra giải pháp tối ưu cho điều kiện Việt Nam

Chương 2: TUYẾN QUANG KHÔNG DÂY

2.1 Giới thiệu chương

Chương này giới thiệu chi tiết hơn về đặc trưng của hệ thống quang không dây:

 Đặc điểm đường truyền trong FSO

 Yếu tố ảnh hưởng, đánh giá, nâng cao chất lượng tuyến quang không dây

2.2 Đặc điểm đường truyền trong FSO

2.2.1 Các loại suy hao trong môi trường truyền dẫn FSO

Tuyến FSO bao hàm sự truyền, hấp thụ và tán xạ ánh sáng bởi khí quyển trái đất Khí quyển tương tác với ánh sáng phụ thuộc vào thành phần không khí, trong điều kiện bình thường, bao gồm nhiều loại phân tử khí và các hạt lơ lững khác nhau Sự tương tác tạo ra nhiều hiện tượng quang học khác nhau: hấp thụ chọn lọc, tán xạ, sự chập chờn ánh sáng thu được

Sự hấp thụ chọn lọc của những bức xạ được truyền trong các bước sóng ánh sáng được tạo ra từ những tương tác của các photon và các phân tử, nguyên tử (H-

2O,

CO2, N2, O2, H2, O3 ) Điều này dẫn đến sự biến mất của các photon truyền tới, suy hao tín hiệu và làm tăng nhiệt độ xung quanh Hiện tượng này phụ thuộc vào thành phần không khí và bước ánh sáng sử dụng Có những vùng bước sóng mà sự truyền gần như trong suốt (không có hấp thụ) gọi là cửa sổ tần số

Hình 10 Ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ đế tuyến FSO

Tán xạ môi trường không khí là kết quả tương tác 1 phần ánh sáng và các phần

tử (bụi, các dạng hạt nước trong không khí) trong môi trường truyền sóng Nó chỉ thay đổi hướng bức xạ của thành phần tương tác mà không có thay đổi bước sóng Tán xạ xảy ra khi kích thước của các hạt trong không khí có kích thước tương đương với bước sóng của ánh sáng được truyền Và trong điều kiện thực tế thì chủ yếu tạo ra do sương

mù, mưa phùn

Dưới sự ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ bên trong môi trường truyền, sự phân bố ngẫu nhiên của các lớp không khí trên đường được tạo ra Các lớp này có khoảng cách biến đổi (10cm – 1km) và có nhiệt độ khác nhau, tạo ra các hệ số khúc xạ khác nhau là nguyên nhân sinh ra sự tán xạ, đa đường, biến đổi góc tới Tín hiệu thu được thay đổi nhanh với phạm vi tần số 0.01 – 200 Hz Mặt sóng thay đổi tạo ra sự hội

tụ và phân kỳ của chùm ánh sáng Những sự thay đổi của tín hiệu là hiện tượng chập chờn trong FSO

Ngoài ra, các tác động khác cũng ảnh hưởng rất lớn đến đường tryền như các vật chắn phát sinh trong khi sử dụng: cây cối phát triển, các loài sinh vật biết bay; sự

di chuyển của tòa nhà hay cột tháp lắp thiết bị, sự chấn động của mặt đất làm lệch hướng tia sáng Các loại này xác xuất xảy ra rất thấp và ta cũng có thể loại bỏ được

Sơ đồ tổng kết ảnh hưởng môi trường tới hệ thống FSO:

2.2.2 Ảnh hưởng của sự thay đổi không khí đến chất lượng tín hiệu

Sự thay đổi tính chất của không khí gây ra sự biến thiên cường độ tín hiệu theo không gian và thời gian ở đầu thu Nguyên nhân là sự thay đổi này làm cho chỉ số khúc xạ bị thay đổi và không khí giống như những thấu kính làm lệch chùm tia so với hướng chính đến phía thu Thời gian thay đổi này chính là thời gian chùm tia được truyền qua không gian và nó phụ thuộc vào tốc độ gió Thực tế cho thấy, nếu sự thăng giáng yếu thì hàm phân bố cường độ tín hiệu tỉ lệ theo hàm logarit thường Đối với quang không gian sử dụng truyền lan theo phương ngang, sự thay đổi này mạnh hơn nên hàm phân bố cường độ thu theo quy luật hàm mũ

Tham số thường được sử dụng để đo mức độ thay đổi không khí là tham số cấu trúc khúc xạ C

n 2 Nó quan hệ trực tiếp với tốc độ gió