Nghiên cứu ảnh hưởng lỗi không đồng bộ không gian trong hệ thống thông tin quang không dây sử dụng điều chế biên độ cầu phương sóng mang

Nghiên cứu ảnh hưởng lỗi không đồng bộ không gian trong hệ thống thông tin quang không dây sử dụng điều chế biên độ cầu phương sóng mang

M C L C

I I U 3

PH N I: GIỚI THIỆU VỀ FSO 3

Chương 1: Tổng quan về FSO 4

1.1 Khái niệm về FSO 4

1.2 Lịch sử phát triển 4

1.3 Ưu nhược điểm của FSO 7

1.3.1 Ưu điểm 7

1.3.2 Nhược điểm 9

1.4 Các Kiến Trúc Mạng Được Dùng Trong FSO Mặt Đất 11

1.4.1 Kiến Trúc Mạng Lưới 11

1.4.2 Kiến Trúc Mạng Điểm – Đa Điểm 12

1.4.3 Kiến Trúc Mạng Nhiều Tuyến Điểm – Điểm 12

1.4.4 Kiến Trúc Mạng Vòng 13

1.5 Động Lực Thúc Đẩy Nghiên Cứu FSO 13

1.6 Mô Hình Một Hệ Thống FSO 14

1.6.1 Máy Phát 15

1.6.2 Kênh Truyền 17

1.6.3 Máy Thu 21

1.6.3.1 Thành Phần Của Máy Thu 21

1.6.3.2 Phân Loại Máy Thu 21

Chương 2: Kênh Truyền Và iều Chế Trong FSO 22

2.1 Mô Hình Kênh Truyền 22

2.1.1 Giới Thiệu Về Hỗn Loạn Không Khí 22

2.1.2 Kênh Truyền Hỗn Loạn Không Khí 24

2.1.3 Mô hình log-normal 26

2.1.3.1 Sự Gắn Kết Không Gian Trong Môi Trường Hỗn Loạn Yếu 29

2.1.3.2 Hạn chế của mô hình log-normal 30

Phần II: Hệ Thống FSO sử dụng điều chế SC-QAM 30

Chương III: Mô Hình Hệ Thống FSO/SC-QAM 30

3.1 Mô Hình Hóa Hệ Thống FSO/SC-QAM 30

3.1.1 Điều Chế M 30

3.1.2 Mô Hình Hóa Kênh Truyền 32

3.1.2.1 Sự Suy Hao Khí Quyển 32

3.1.2.2 Hỗn Loạn Không Khí 33

3.2.1.1 Mô Hình Log-normal 33

Chương 4: ánh Giá Hoạt ộng Của Hệ Thống FSO/SC-QAM 34

4.1 Tỷ Lệ Lỗi Ký Tự 34

Chương 5: Kết Qu Mô Ph ng 35

5.1 hi thay đ i độ ạnh yếu của hỗn oạn h quyển 2 n C 35

5.2 Khi thay đ i ho ng c ch thu ph t L 37

5.3 Nh n t 38

5.4 Một số co ô ph ng ng at a 39

Phần III: Ứng Dụng 47

Chương 6: Một Số Ứng Dụng Tiêu Biểu Của FSO 47

6.1 Ứng Dụng Trong Thông Tin Mặt Đất 47

6.1.1 Kết Nối Tốc Độ Cao Giữa C c Tòa Nhà Với FSO 47

6.1.2 Ứng Dụng Trong Mạng Truy Nh p Đầu Cuối 48

Tài liệu thao kh o 50

I I U

Truyền thông quang không dây (FSO) là một công nghệ rất hứa hẹn đang ngày càng

nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu Dung lượng của hệ thống FSO tương

đương với dung lượng của thông tin cáp quang, tuy nhiên giá thành để triển khai lại chỉ

bằng một phần nhỏ so với FTTH Thêm vào đó, hệ thống FSO có thể nhanh chóng được

triển khai sử dụng và tái sử dụng

Tuy nhiên, hầu như chưa có nhiều nghiên cứu tại Việt Nam về công nghệ truyền thông

quang không dây này Đặc biệt là xu hướng chung của thế giới đã và đang chuyển sang

nghiên cứu đến các hệ thống FSO sử dụng điều chế phức tạp như điều chế vị trí xung và

điều chế cường độ sóng mang Nắm bắt được xu thế này cũng như nhìn nhận tình hình

nghiên cứu hiện tại của Việt Nam rất cần những công trình mới nghiên cứu chuyên sâu

về công nghệ đầy hứa hẹn này, em đã quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng

lỗi không đồng bộ không gian trong hệ thống thông tin quang không dây sử dụng điều

chế biên độ cầu phương sóng mang”

Nhóm em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Vũ V n Yêm đã hướng dẫn nhóm em hoàn

thành bài tập lớn này Trong quá trình làm bài tập lớn, mặc dù đã hết sức cẩn thận tuy

nhiên do thời gian có hạn nên chắc chắn không tránh khỏi nhiều thiếu sót Đặc biệt là

với đề tài mới mẻ như vậy thì hầu như không hề có tài liệu tiếng việt nào để tham khảo

Rất mong nhận được sự đóng góp của thầy và các bạn để đề tài ngày càng được hoàn

thiện hơn trong tương lai

PH N I: GIỚI THIỆU VỀ FSO

Như đã nói ở trên, phần này sẽ trình bày những khái niệm cơ bản nhất về công

nghệ FSO nhằm mục đích cung cấp cho người đọc cái nhìn tổng thể và trực quan nhất về

công nghệ còn khá mới mẻ này tại Việt Nam Trong phần này, tôi sẽ dành chương 1 để

viết về những định nghĩa, khái niệm, lịch sử phát triển của công nghệ FSO Chương 2 sẽ

trình bày về kênh truyền hỗn loạn và các kỹ thuậtđiều chế được sử dụng phổ biến trong

FSO

Chương 1: Tổng quan về FSO

1.1 Khái niệm về FSO

Về cơ bản, FSO ( Free-space optical communication) là công nghệ truyền thông tin,

dữ liệu giữa 2 điểm sử dụng bức xạ quang như là tín hiệu mang tin và được truyền qua

các kênh truyền tự do Dữ liệu cần truyền được điều chế vào cường độ, pha, hoặc tần số

của bức xạ quang mang tin Một đường truyền dẫn FSO về cơ bản là đường truyền dẫn

thẳng (LOS), vì vậy để đảm bảo trao đổi thông tin thành công, yêu cầu máy thu và máy

phát phải có thể “nhìn” thấy nhau một cahcs trực tiếp mà ko có bất kỳ một chướng ngại

vật nào trên đường truyền Kênh truyền tự do có thể là trong không gian vũ trụ, trong nước biển, trong khí quyển hoặc là sự kết hợp của các loại môi trường trên trong cùng

một tuyến thông tin

Fig 1 1: Ví dụ đường truyền FSO

1.2 Lịch sử phát triển

Thông tin quang trong môi trường tự do (FSO) là một công nghệ đã có từ lâu đời sử

dụng sự truyền lan ánh sáng trong không gian để truyền tín hiệu giữa hai điểm Từ

khoảng những n m 800 trước công nguyên, người hy lạp và người la mã cổ đại đã biết

sử dụng lửa để báo hiệu Và trước những n m 150 trước công nguyên, người ấn độ gốc

mỹ đã biết sử dụng khói cho những mục đích tương tự của việc báo hiệu và cảnh báo

Những kỹ thuật báo hiệu bằng thông tin quang ví dụ như báo hiệu được sử dụng trong

hàng hải ở pháp vào n m 1790 đã được ra đời từ lâu, tuy nhiên chúng ta có thể coi

truyền thông tin quang trong môi trường tự do đc đặt nền móng lần đầu tiên là bởi thí

nghiệm Photophone thực hiện bởi Alexander Graham Bell vào n m 1880 Trong thí

nghiệm của mình, Bell đã điều chế bức xạ của mặt trời với tín hiệu âm thanh và truyền

đi qua khoảng cách khoảng 200 m Máy nhận được làm từ một chiếc gương parabol với

một tế bào Selen đặt tại tiêu điểm Tuy nhiê, thí nghiệm cho kết quả không thực sự tốt

do thiết bị sử dụng thô sơ và sự gián đoạn tự nhiên của bức xạ mặt trời

Fig 1 2: Thí nghiệm photophone của Alexander Graham Bell

Cuộc trò chuyện điện thoại không dây đầu tiên trên thế giới xảy ra trong n m 1880,

khi Alexander Graham Bell và Charles Sumner Tainter đã dùng photophone thực hiện

cuộc hội thoại âm thanh không dây qua chùm ánh sáng được điều chế (trong đó có dự

hẹp của sóng điện từ) Trong kỷ nguyên xa xôi, khi các tiện ích vẫn chưa tồn tại để cung

cấp điện và laser thậm chí còn chưa tưởng tượng trong khoa học viễn tưởng, không có

ứng dụng thực tế cho sáng chế của họ, được đánh giá cao giới hạn bởi sự sẵn có của cả

ánh sáng mặt trời và thời tiết tốt Tuy nhiên, do độ nhiễu quá lớn,cộng với sự phụ thuộc

quá chặt chẽ vào thời tiết như mà cỗ máy này chưa thực sự chiếm được sự quan tâm

đúng mức của cộng đồng khoa học lúc bấy giờ

Cột mốc quan trọng đánh dấu sự phát triển của công nghê FSO đó là sự tìm ra các

nguồn quang, mà quan trọng nhất là laser vào những n m 1960 Hàng loạt các nghiên

cứu về FSO đã được thực hiện từ những n m đầu 60 đến những n m 70 Ví dụ như

truyền phổ của tín hiệu truyền hình qua khoảng cách 48 km sử sụng diode phát quang

GaA được thực thi bởi cách nhà khoa học của học viện MIT n m 1962 Tháng 5 n m

1963, tín hiệu âm thanh được điều chế với laser He-NE đã đươc truyền qua 190km giữa

2 ngọn núi Panamint Ridge và San Gabriel tại Mỹ Truyền dẫn LASER trong không

gian được sử dụng với mục đích thương mại lần đầu tiên được xây dựng ở Nhật bản bởi

công ty điện tử Nippon vào n m 1970 Đó là đường truyễn dẫn song công, sử dụng

LASER He-Ne bước song 0.6328, truyền thông tin giữa Yokohama và Tamagawa với

khoảng cách 14km

Từ quãng thời gian này trở đi, công nghệ FSO tiếp tục được nghiên cứu và thử

nghiệm mạnh mẽ, đặc biệt là trong thông tin quân sự FSO cũng đã và đang được

nghiên cứu để sử dụng cho truyền thông trong vũ trụ bởi NASA và ESA với các chương

trình như là the Mars Laser Communication Demonstration (MLCD) và the Semiconductor-laser Inter-satellite Link Experiment (SILEX) Trong vòng vài thập kỷ

vừa qua, công nghệ FSo đã được nghiên cứu và chứng minh một cách thành công là có

thể được sử dụng trong truyền thông vũ trụ giữa các vệ tinh với tốc độ dữ liệu có thể lên

tới 10 Gbps Mặc dù những kiến thức về các kỹ thuật cần thiết để xây dựng một hệ thống

thông tin FSO đã được nghiên cứu bởi nhiều nhà khoa học khác nhau trong nhiều n m

liền, tính hữu dụng và tính thực tế của hệ thống thông tin FSO cho đến gần đây vẫn còn

bị hoài nghi bởi nhiều nguyên nhân khác nhau Thứ nhất đó là các hệ thống thông tin

liên lạc đang tồn tại đã đủ để giải quyết các nhu cầu thông tin hiện thời Thứ hai, những

nghiên cứu và phát triển đáng kể của công nghệ FSO cần phải được cải thiện độ tin cậy

của các khối để đảm bảo độ tin cậy của toàn hệ thống Thứ 3, một hệ thống trong không

gian luôn chịu ảnh hưởng bởi sự gián đoạn khi có mặt sương mù dày đặc Cuối cùng,

ngay cả khi sự ảnh hưởng của khí quyển có thể được bỏ qua, thì hệ thống FSO luôn yêu

cầu phát hướng điểm chính xác và bộ phận tracking nhạy-Những điều vẫn chưa được

giải quyết triệt để cho đến tận bây giờ Tất cả những lý do đó giải thích tại sao cho đến

tận bây giờ, công nghệ FSO vẫn chưa được sử dụng rộng dãi trong các mạng truy nhập

Fig 1 3: Chương trình MLCD của NASA

1.3 Ưu nhược điểm của FSO

1.3.1 Ưu điểm

B ng thông rất lớn: trong bất cứ hệ thống thông tin nào, lượng dữ liệu, thông tin

được truyền đi có liên hệ trực tiếp với b ng thông của tín hiệu mang tin điều chế Lượng

b ng thông cho phép có thể đạt tới 20% của tần số tín hiêu mang Sử dụng tín hiệu mang

là bức xạ quang với khoảng tần số từ 1012-1016 Hz có thể cho b ng thông lên tới 2000

Thz Vì thế mà so với những hệ thống thông tin vô tuyến, thông tin quang đảm bảo lưu

lượng thông tin lớn hơn rất nhiều bởi vì tần số của tín hiệu mang tin là bức xạ quang lớn

hơn rất nhiều so với tần số sóng mang vô tuyến

Bán kính tia nhỏ: Bức xạ quang có bán kính tia cực kỳ hẹp Điều này có nghĩa là

công suất phát chỉ phải tập trung trong một diện tích rất là hẹp Điều này cho phép một

đường truyền FSO có sự cách ly không gian đủ để tránh nhiễu từ cách đường truyền

FSO khác Sự chiếm dụng về không gian rất hẹp cũng cho phép các tia laser hoạt đồng

gần như độc lập với nhau, vì thế nên khả n ng sử dụng lại tần số gần như là vô hạn trong

nhiều môi trường khác nhau Tuy nhiên, sự hẹp của bức xạ quang cũng đồng nghĩa với

yêu cầu về đồng bộ thu phát rất cao

Phổ tần sử dụng không cần cấp phép: Trong thông tin vô tuyến, các sóng mang có

tần số gần nhau gây nhiễu lên nhau chính là vấn đề lớn nhất của thông tin vô tuyến Để

giảm thiểu vấn đề này, một các tổ chức quản lý tài nguyên tần số được thành lập để quản

lý việc cấp phát và sử dụng tần số của các cá nhân, tổ chức Vì thế để được cấp phát một

dải tần để sự dụng cần phải tốn rất nhiều chi phí và thời gian Hiện tại thì các tần số

quang ko phải chịu sự quản lý này do các tín hiệu mạng là bức xạ quang hầu như không

gây nhiễu lên nhau ngay cả khi hai đường truyền quang có cùng tần số đặt cạnh nhau

Rẻ: Giá thành để triển khai một hệ thống thông tin FSO rẻ hơn rất nhiều so với một

hệ thống thông tin vô tuyến thông thường khi có tốc độ dữ liệu tương đương nhau Điều

này là do FSO không yêu cầu phí cấp phát dải tần sử dụng và các thành phần trong

đường truyền FSO cũng rẻ hơn nhiều Theo một nghiên cứu gần đây của Canada, giá của

1 Mbps trên một tháng của một hệ thống FSO rẻ bằng một nửa của hệ thống vô tuyến

thông thường

Nhanh chóng và dễ dàng triển khai cũng như tái sử dụng: thời gian cần thiết để triển

khai một đường truyền FSO có thể chỉ vài giờ Yêu cầu chính là việc thành lập một

đường truyền không bị cản trở về tầm nhìn giữa máy thu và máy phát Đường truyền

FSO cũng có thể dễ dàng mang đi sử dụng ở khu vực các một cách nhanh chóng và dễ

dàng

An toàn thông tin cao: Mặc dù FSO là công nghệ không dây nhưng nó không phát

quảng bá tới bất kỳ người nào và tất cả mọi người FSO phát búp sóng ánh sáng hẹp, tần

số rất cao tới một nơi xác định Do đó rất khó cho một cá nhân nào đó có thể thu trộm

thông tin mà không bị phát hiện Các hệ thống FSO thường được lắp đặt càng cao càng

tốt để các phương tiện giao thông qua lại không làm ảnh hưởng tới búp sóng quang Một

con chim có thể làm gián đoạn việc truyền thông tin, nhưng điều đó chỉ xảy ra trong

chốc lát và hệ thống sẽ nhanh chóng phục hồi Trong khi đó, việc thu trộm thông tin đòi

hỏi phải đặt thiết bị trên đường đi của búp sóng trong khoảng thời gian dài

Phải thừa nhận rằng việc đặt thiết bị thu trộm thông tin giữa hai khối FSO là rất khó

kh n do kích thước búp quang rất hẹp, khó xác định được vị trí búp, búp lại thường được

đặt ở rất cao và không gần bất cứ thứ gì Việc phát hiện thiết bị thu trộm là hoàn toàn có

khả n ng thực hiện được do búp quang trong tầm nhìn thẳng, có thể sử dụng các máy

quay phim để giám sát việc lắp đặt thiết bị thu trộm và đường truyền của búp sóng

quang để phát hiện bất cứ hoạt động khả nghi nào

1.3.2 Nhược điểm

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 hay tuyết Ngoài việc tuyết và mưa có thể

làm cản trở đường truyền quang, FSO chịu ảnh hưởng mạnh bởi sương mù và sự hỗn

loạn của không khí Những thách thức chính trong việc thiết kế các hệ thống FSO như

sau

Fig 1 4: Những thách thức của FSO truyền trong khí quyển

Sương mù là một thách thức chính Sương mù là hơi nước được tập hợp từ những

giọt nước nhỏ có đường kính vài tr m micro mét nhưng có thể làm thay đổi đặc tính

truyền lan của ánh sáng hoặc ng n 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, giảm cự ly hoạt động của tuyến FSO

Sự nhấp nháy là sự biến đổi về không gian của cường độ sáng gây ra bởi sự hỗn 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 xuất, đó chính là nguyên nhân gây ra sự hỗn 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 t ng mạnh, đặc biệt là khi có ánh sáng mặt trời

- Sự trôi búp

Sự trôi búp xảy ra khi luồng gió hỗn 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

- Giữ thẳng hướng phát-thu hi tòa nhà ao động

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 (FOV) 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 n ng của hệ thống và gây ra lỗi

- Sự an toàn cho mắt

Với sự gia t ng của các hệ thống truyền thông quang vô tuyến sử dụng các búp laser

hướng về các vùng dân cư mật độ cao, sự an toàn cho mắt là vấn đề đáng được quan

tâm Những hệ thống FSO này phải an toàn đối với mắt, có nghĩa là chúng phải không

gây nguy hiểm cho những người vô tình gặp phải các búp sóng quang Yêu cầu này rõ

ràng sẽ tạo ra giới hạn trên cho cường độ búp sóng phát của laser Khi thiết kế các hệ

thống thông tin quang, người thiết kế phải đảm bảo rằng các bức xạ quang phải an toàn

và không được gây ra bất cứ tác hại nào cho những người mà tiếp xúc với nó Các tia

bức xạ quang có thể gây tổn thương cho cả da và mắt, tuy nhiên tác hại đố với mắt là

đáng ngại hơn cả bởi vì mắt có khả n ng tập trung n ng lượng quang Mắt người có thể

tập trung ánh sáng trong dải từ 0.4-1.4 μm Những dải bước sóng khác có xu hướng bị

hấp thụ bởi giác mạc của mắt trước khi n ng lượng được tập trung

1.4 Các Kiến Trúc Mạng Được Dùng Trong FSO Mặt Đất

Các hệ thống FSO có thể được thiết kế và làm việc trong bất kỳ cấu hình mạng nào,

bao gồm cấu hình lưới, điểm – điểm, điểm – đa điểm, vòng Việc này giúp cho các nhà

cung cấp mạng khu vực đô thị dễ dàng xây dựng và mở rộng mạng tốc độ cao tới các

khách hàng

1.4.1 Kiến Trúc Mạng Lưới

Một mạng lưới bao gồm một chuỗi các nút mạng được kết nối với nhau với mức độ

dư thừa nhất định cho việc dự phòng Trong những mạng kiểu này, mọi nút mạng đều

được kết nối với các nút khác một cách trực tiếp hoặc thông qua một số chặng Mức dư

thừa trong mạng quyết định mức kết nối trong mạng Do đó, số lượng nút mạng càng

nhiều thì mức dư thừa kết nối càng lớn, khả n ng đảm bảo liên lạc càng cao Kiến trúc

mạng lưới có độ tin cậy cao, dễ thêm nút mạng nhưng bị giới hạn về khoảng cách

1.4.2 Kiến Trúc Mạng Điểm – Đa Điểm

Trong kiến trúc mạng điểm – đa điểm một nút mạng đóng vai trò như một nút khởi

đầu và nhiều tuyến quang vô tuyến được bắt nguồn từ nút này Phương pháp hiệu quả

nhất là nối mỗi tuyến FSO tới một thiết bị lớp 2 hoặc lớp 3 đặt trong một phòng của tòa

nhà Sau đó các tuyến này được nối bằng sợi quang tới bộ chuyển mạch hoặc định tuyến

đặt ở vị trí bất kỳ trong tòa nhà, có thể là tầng trên cùng hay ở một phòng khác Kiến

trúc điểm – đa điểm cung cấp kết nối với chi phí rẻ hơn và thuận tiện cho việc thêm nút

mạng với chi phí về b ng thông thấp hơn kiến trúc điểm – điểm

Fig 1 5: Kiến Trúc Mạng Lưới và Mạng Đa Điểm

1.4.3 Kiến Trúc Mạng Nhiều Tuyến Điểm – Điểm

Kiến trúc mạng nhiều tuyến điểm – điểm thích hợp cho những trường hợp cần tạo ra

một tuyến mở rộng vượt quá giới hạn cự ly hoặc bị bắt buộc phải rút ngắn cự ly tuyến

Trong kiến trúc mạng vòng, các nút mạng nối với nhau thông qua các tuyến quang vô

tuyến tạo thành vòng khép kín và có thể phân nhánh thành các tuyến điểm – điểm Kiến

trúc mạng vòng có độ tin cậy cao hơn kiến trúc điểm – điểm và điểm – đa điểm Đồng

thời, nó lại không phức tạp như kiến trúc mạng lưới

Fig 1 6: Kiến Trúc Mạng Điểm-Điểm và Kiến Trúc Mạng Vòng

1.5 Động Lực Thúc Đẩy Nghiên Cứu FSO

Yêu cầu về b ng thông chính là động lực thúc đẩy các nghiên cứu về thông tin

quang phát triển ( cả thông tin cáp quang và thông tin quang không dây) Thông tin

quang có thể cung cấp b ng thông rất lớn với tốc độ dữ liệu rất lớn Tuy nhiên b ng

thông khổng lồ của thông tin quang trong các mạng lõi lại không thể được sử dụng hết

bởi người sử dụng trong các mạng truy nhập Lý do là vì giới hạn b ng thông của công

nghệ truyền dẫn trên cáp đồng được sử dụng phổ biến để kết nối giữa người sử dụng và

mạng cáp quang xương sống Điều này này dẫn đến việc tốc độ dữ liệu mà người dùng

có thể sử dụng bị hạn chế rất nhiều Vấn đề này được gọi là vấn đề “ Nghẽn cổ chai ở

mạng truy nhập” Đã có rất nhiều giải pháp được đưa ra để giải quyết vấn đề này như:

Internet cáp quang FTTH, công nghệ siêu b ng rộng không dây UBW, công nghệ thông

tin quang tự do FSO…

Công nghệ internet cáp quang FTTH có thể là giải pháp lý tưởng cho vấn đề “nút

thắt cổ chai” và hiện vẫn đang tiếp tục được triển khai ở nhiều nơi trong đó có Hàn Quốc

và Nhật Bản là hai quốc gia đi đầu trong nghiên cứu và phát triển internet cáp quang

Công nghệ internet cáp quang có thể cung cấp tốc độ dữ liệu lên tới 10Gbps cho người

sử dụng đầu cuối Ấn tượng hơn nữa, khi triển khai các kỹ thuật như là ghép kênh theo

bước sóng với mật độ lớn, tốc độ dữ liệu mà FTTH cung cấp có thể lên tới 10 Tbps Tuy

nhiên, thách thức lớn nhất đối với công nghệ FTTH đó là chi phí triển khai và vận hành

quá lớn Đây chính là nguyên nhân khiến cho công nghệ FTTH chưa được triển khai

rộng

Công nghệ b ng siêu rộng không dây UBW cũng là một giải pháp vô tuyến khá hứa

hẹn mà phổ tần của nó cũng không cần phải đ ng ký giống như công nghệ FSO (trong

dải tàn 3.1-10.6 Ghz, sử dụng công nghệ UBW không cần xin cấp phép phổ tần ) Công

nghệ UBW có thể cung cấp tốc độ dữ liệu lên tới vài Mbps trên quãng đường truyền

ngắn Tuy nhiên, cũng giống như công nghệ truyền dẫn cáp đồng, vài Mbps vẫn còn là

khá thấp so với tốc độ lên tới hàng Gbps mà mạng cáp quang sương sống có thể cung

cấp Hơn thế nữa, công nghệ UBW phải gặp phải mỗi vấn đề rất lớn đó là can nhiễu của

tín hiệu UWB với những hệ thống khác có cùng phổ tần

1.6 Mô Hình Một Hệ Thống FSO

Cũng giống như bất kỳ một hệ thống thông tin nào khác, một hệ thống FSO cũng

bao gồm 3 thành phần cơ bản: máy phát, kênh truyền dẫn và máy thu

Fig 1 7: Một hệ thống FSO tiêu biểu

1.6.1 Máy Phát

Chức n ng chính của máy phát trong hệ thống FSO là điều chế dữ liệu nguồn vào

bức xạ quang mang tin Bức xạ này sau đó sẽ được truyền tải trên kênh truyền có thể là

khí quyển, không gian, nước…để tới máy thu Phương pháp điều chế quang được sử

dụng rộng dãi nhất là kiểu điều chế cường độ (IM: Intensity modulation) Với kiểu điều

chế này, dữ liệu được dùng để điều chế cường độ của các bức xạ quang học Điều này có

thể đạt được bằng cách thay đổi dòng điều khiển nguồn quang một cách trực tiếp theo dữ

liệu đầu vào cần được truyền đi hoặc là thông qua một khối điều chế ngoài như là bộ

giao thoa đối xứng Mach-Zehnder để điều chế dữ liệu vào bức xạ quang mang tin Việc

sử dụng một bộ điều chế ngoài cung cấp tốc độ dữ liệu lớn hơn phương pháp điều chế

trực tiếp Tuy nhiên bộ điều chế ngoài là một phần tử không tuyến tính Những đặc tính

khác của bức xạ quang như là pha, tần số, và trạng thái phân cực cũng có thể được điều

chế để mang dữ liệu thông qua bộ điều chế ngoài Kính thiên v n (thấu kính) phía máy

phát có nhiệm vụ tập hợp, phát và hướng các bức xạ quang về phía kính thiên v n (thấu

kính ) của máy thu ở phía đầu cuối của kênh truyền Bảng dưới đây (bảng 1.1) có nêu

một số loại nguồn quang được sử dụng phổ biến trong công nghệ FSO

Fig 1 8: Hình ảnh máy phát (thu) trong thực tế

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 0.2 db/km Tuy nhiên, hầu hết các hệ thống FSO đều

được thiết kế để hoạt động trong cửa sổ truyền dẫn 780-850nm và 1520-1600 nm Phổ

tần 780-850 nm là được sử dụng rộng dãi 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 thu hút được

rất nhiều chú ý bởi nhiều lý do Thứ nhất đo là tương thích với mạng ghép kênh phân

chia theo bước sóng ở cửa sổ truyền dẫn thứ 3 Thứ hai đó là an toàn cho mắt Và cuối

cùng là hạn chế tán xạ và nhiễu trong sương mù Điều này dẫn đến kết quả là tại bước

sóng 1550 nm công suất truyền dẫn được t ng lên đáng kể khi vượt qua suy hao do

sương mù Tuy nhiên, hạn chế của dải sóng 1550 nm là làm giảm độ nhạy thu một chút,

giá thành sản xuất linh kiện cao hơn và yêu cầu đồng bộ không gian thu phát chặt chẽ

hơn

Bảng 1 1: Các nguồn quang sử dụng phổ biến trong FSO

với bộ cộng hưởng

Rẻ và dễ tìm Mật độ công suất thấp

Độ tin cậy vào khoản 10Gbps

Laser hồi tiếp phân

bố

Tuổi thọ cao Tiêu chuẩn về an toàn cho mắt thấp hơn

Mật độ công suất cao hơn tới 50 Công suất phát khoảng 28 mW Tốc độ cao, có thể lên tới 40Gbps

tầng

Đắt và còn khá mới mẻ Nhanh và độ nhạy cao Truyền tốt trong sương mù Không xuyên qua kính Công suất lớn

Như đã nói, kênh truyền của một hệ thống FSO là kênh truyền tự do có thể trong

môi trường nước, không gian, khí quyển Một kênh thông tin quang khác với kênh nhiễu

gauss thông thường đó là trong kênh thông tin quang, tín hiệu truyền đi x(t) thể hiện

công suất chứ không phải biên độ Điều này dẫn đến hai giới hạn về tín hiệu được

truyền: i) tín hiệu truyền đi phải không âm; và ii) giá trị trung bình của tín hiệu truyền đi

không được vượt quá giá trị cực đại của công suất phát

Fig 1 9: Kênh Truyền TRong Không Gian

Trái ngược với cách kênh truyền thông thường mà ở đó, tỷ số tín hiệu trên tạp âm

SNR tỷ lệ với công suất trong hệ thống thông tin quang, công suất điện thu được và

phương sai tạp âm lần lượt tỷ lệ với bình phương diện tích màn chắn thu và diện tích

màn chắn thu Chính vì vậy mà trong hệ thống thông tin quang không dây, tỷ số tín hiệu

trên tạp âm tỷ lệ với diện tích màn chắn Điều này có nghĩa là với một công suất phát

xác định, tỷ số tín hiệu trên tạp âm càng lớn khi diện tích màn chắn thu càng lớn Tuy

nhiên, khi mà diện tích màn chắn thu t ng lên thì điện dung của máy thu quang cũng

t ng lên, điều này dẫn đến hạn chế về mặt b ng thông của máy thu

Kênh truyền khí quyển bao gồm các loại khí được liệt kê trong bảng dưới đây (bảng

1.2) và aerosols-một loại hạt vật chất siêu nhỏ có trong khí quyển Sự phân bố của các

loại khí này có ảnh hưởng khá lớn tới điều kiện hỗn loạn của kênh truyền Các loại hình

thời tiết như mưa, sương mù, khói, sự bốc hơi nước cũng góp phần tạo nên đặc tính của

kênh truyền khí quyển

40 – 40,000

20 5.2 1.5 1.1

1 0.6 0.2 0.05 0.09

Khi bức xạ quang được truyền qua không khí, một số hạt photon bị hấp thụ bởi các

nguyên tử khí có mặt trong khí quyển (hơi nước, CO2, sương mù, ozone…) và n ng

lượng của các hạt photon bị hấp thụ được chuyển thành nhiệt Trong khi đó, những

photon khác không bị mất n ng lượng tuy nhiên hướng đi của chúng bị thay đổi( hiện

tượng này gọi là tán xạ) Tia bức xạ quang cũng bị mở rộng trong quá trình truyền lan

dẫn đến bán kính tia bức xạ thu được lớn hơn bán kính màn chắn thu của máy thu quang

Định luật Beer-Law về hệ số truyền dẫn quang trong môi trường khí quyển:

Trong đó, T và  ( , )L lần lượt là hệ số suy hao (m-1) và hệ số truyền dẫn quang trong

khí quyển tại bước sóng , P Tlà công suất phát và P Rlà công suất tại điểm thu với

khoảng cách thu phát L

Một đặc điểm quan trọng khác của kênh truyền trong khí quyển của hệ thống FSO

đó là hiện tượng hỗn loạn khí không khí 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 hỗn loạn với nhau Điều này gây

nên sự dao động về nhiệt độ của các lớp không khí khác nhau Chính sự không đồng đều

về nhiệt độ này gây nên sự thay đổi về chiết suất của các lớp không khí khác nhau trong

khí quyển Chính vì vậy mà kênh truyền hỗn 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 sự hỗn loạn không khí có thể gây nên tỷ lệ lỗi rất lớn do sự dao động của tín hiệu thu

được Sự hỗn loạn không khí phụ thuộc vào: nhiệt độ và áp suất không khí, độ cao

truyền dẫn, tốc độ gió…Những ảnh hưởng của hỗn loạn không khí đến hệ thống FSO

bao gồm:

- Lệch tia: Tia bức xạ quang do ảnh hưởng của hỗn loạn không khí bị lệch khỏi

đường truyền thẳng ban đầu của nó Điều này khiến máy thu gặp khó kh n khi thu bức

xạ quang và có thể là hoàn toàn không thu được khi bức xạ quang bị lệch quá mức

- Sự trôi búp: tâm của tia thu được bị di chuyển trên mặt phẳng thu của màn

chắn thu do sự thay đổi về góc tới của tia sang

- Chùm tia bị phân kỳ: độ phân kỳ của chùm tia bức xạ bị t ng lên do hiện

tượng tán xạ Điều này dẫn tới sự suy giảm về mật độ công suất của bức xạ thu

gây ra bởi sự hỗn 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 xuất, đó chính là nguyên nhân

gây ra sự hỗn 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 của các hệ thống FSO t ng mạnh, đặc biệt là khi có

ánh sáng mặt trời

- Sự thay đ i phân cực: khi tia bức xạ đi qua môi trường hỗn 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

1.6.3 Máy Thu

Máy thu có nhiệm vụ nhận dữ liệu truyền dẫn từ máy phát qua kênh truyền

1.6.3.1 Thành Phần Của Máy Thu

Máy thu gồm những thành phần sau:

sóng quang Khẩu độ càng lớn thì càng tốt vì thấu kính sẽ có khả n ng thu thập và tập

trung các bức xạ quang tốt hơn

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

nhiễu nền

- Bộ tách sóng quang: Có nhiệm vụ tách thông tin từ bức xạ quang sang tín

hiệu điện

hiệu để đảm bảo có thể phục hồi được dữ liệu đã được truyền đi

1.6.3.2 Phân Loại Máy Thu

Các loại máy thu: máy thu được chia ra làm hai loại chính:

- Máy thu chuyển đổi trực tiếp: loại máy thu này chuyển đồi trực tiếp từ cường

độ hoặc công suất tức thời của bức xạ quang tác động lên bộ tách sóng quang Chính vì

thế mà 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

- Máy thu chuyển đổi tổng hợp: 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 quan tổng hợp đó là: tướng

đối dễ để khuếch đại tín hiệu tại tần số trung tần à tỷ số tín hiệu trên tạp âm được cải

thiện đáng kể bằng cách t ng công suất của bộ tạo bức xạ quang địa phương

Chương 2: Kênh Truyền Và iều Chế Trong FSO

2.1 Mô Hình Kênh Truyền

Như đã nói ở trên, thông tin FSO là hệ thống thông tin không dây với môi trường

truyền dẫn đa dạng, có thể trong không gian vũ trụ, trong không khí (khí quyển), dưới

nước…Tuy nhiên, trong đồ án này sẽ chỉ tập trung nghiên cứu về các hệ thống FSO

trong môi trưởng không khí (khí quyển) Vì thế mà kênh truyền ở đây được hiểu là kênh

truyền trong môi trường không khí Tia bức xạ quang đi qua kênh truyền không khí chịu

nhiều ảnh hưởng của các hiện tượng như hỗn loạn không khí, các điều kiện thời tiết…

2.1.1 Giới Thiệu Về Hỗn Loạn Không Khí

Hỗn loạn không khí là vấn đề gây ảnh hưởng lớn nhất đến hoạt động của một tuyến

thông tin quang không dây và cũng là vấn đề gây “đau đầu” nhất cho các nhà thiết kế và

quản lý một tuyến thông tin quang không dây trong môi trường không khí (khí quyển)

Nguyên nhân gây nên hỗn loạn không khí được giải thích như sau: Bức xạ mặt trời

bị hấp thụ bởi bề mặt trái đất làm cho lớp không khí gần bề mặt trái đất ấm hơn lớp

không khí ở trên cao Lớp không khí có nhiệt độ cao hơn ở dưới trở nên nhẹ hơn ( vì mật

độ giảm đi do dãn nở) bay lên và hòa trộn một cách hỗn loạn với lớp không khí lạnh hơn

ở trên cao gây nên hiện tượng nhiệt độ của không khí bị dao động một cách ngẫu nhiên

Sự không đồng bộ về nhiệt độ và áp suất này gây nên sự thay đổi một cách ngẫu nhiên

về chiết suất của các lớp không khí Hiên tượng này này gọi là sự hỗn loạn không khí

Trong tất cả các ảnh hưởng của hỗn loạn không khí đã đề cập ở phần trước, phần này chỉ

mô hình hóa sự dao động của công suất quang thu được do ảnh hưởng của hỗn loạn

không khí bởi vì trong hệ thống FSO sử dụng điều chế cường độ và chuyển đổi trực tiếp,

chỉ có công suất và cường độ của bức xạ thu mới là vấn đề gây ảnh hường lớn đến toàn

bộ hệ thống Sự hỗn loạn không khí thường được phân loại dựa trên cường độ của sự

thay đổi chiết suất không khí Các mô hình hỗn loạn không khí này là hàm của khoảng

cách truyền của bức xạ quang trong không khí, và được phân loại thành các mô hình

dành cho điều kiện hỗn loạn yếu, vừa, mạnh và bão hòa

Fig 2 1: Ví dụ trực quan về hỗn loạn không khí

Trong phần này, những mô hình miêu tả hàm mật độ xác suất của sự dao động về

cường độ bức xạ quang được đưa ra Bởi vì sự cực kỳ phức tạp trong việc mô hình hóa

hỗn loạn không khí, chưa có một mô hình nào có thể được sự dụng cho tất cả các điều

kiện hỗn loạn không khí đã được liệt kê ở trên Chính vì vậy mà trong đồ án này, tác giả

sử dụng ba mô hình hỗn loank không khí được sử dụng và công nhận rộng rãi nhất Đó

là ba mô hình log-normal, gamma-gamma, và mô hình mũ âm Các mô hình này lần lượt

được ứng dụng trong các điều kiện hỗn loạn yếu, hỗn loạn trung bình đến mạnh, và hỗn

loạn bão hòa

2.1.2 Kênh Truyền Hỗn Loạn Không Khí

Hỗn loạn không khí gây nên sự dao động ngẫu nhiên về chiết suất không khí trên

quãng đường truyền của bức xạ quang qua không khí Sự thay đổi ngẫu nhiên này phụ

thuộc vào nhiệt độ, áp suất, độ cao và tốc độ gió Sự thay đổi về hỗn loạn không khí về

mặt thời gian được tính theo đơn vị là mili giây Giá trị này rất lớn so với chu kỳ của ký

tự Chính vì vậy mà kênh hỗn loạn không khí được coi là kênh fading chậm

Mối quan hệ giữa nhiệt độ và chiết suât không khí được thể hiện bởi phương trình:

1 77.6(1 7.52 10 ) 10 ,

e

P n

trong phương trình trên, ảnh hưởng của độ ẩm tới chiết suất không khí không được xét

đến bởi vì ảnh hưởng này có thể bỏ qua đối với các bước sóng quang Trong khi đó,

trong hầu hết các ứng dụng về kỹ thuât, tốc độ thay đổi của chiết suất không khí so với

nhiệt độ được thể hiện bởi phương trình sau:

5 2

trong đó, P là áp suât khí quyển, T e là nhiệt độ khí quyển, và λ là bước sóng Với độ cao

gần mực nước biển, tốc độ thay đổi của chiết suất không khí so với nhiệt độ có thể lấy

Chiết suất không khí phụ thuộc vào vị trí và thời gian được ký hiệu bởi n(r,t) Chiết

suất có thể được tính như là tổng của giá trị chiết suất trong không gian tự gio khi không

có hỗn loạn không không khí n 0, và thành phần dao động ngẫu nhiên phụ thuộc vào hỗn

loạn không khí n 1 (r,t) Chính vì vậy, ta có:

1 ( , ) 1 ( ).

n r t n rvt Eq 2 3 Trong đó, v(r) là tốc độ của thành phần gió vuông góc với hướn truyền của bức xạ

quang Trong hỗn loạn không khí, một tham số quan trọng thể hiện cương độ dao động

của chiết suất đó là thông số cấu trúc khúc xa 2

n

C Giá trị của 2

n

C thay dổi theo độ cao và

mô hình thường được sử dụng nhất để tính toán 2

n

C là mô hình Hufnagel-Valley sau đây:

C tại mặt đất, đơn vị là m-2/3, và h là độ cao tính theo

m Giá trị của thông số thay đổi theo độ cao, vì vậy mà với kênh truyền nằm ngang,

thông số này coi như không đổi trong suốt quãng đường truyền dẫn Giá trị của thông số

thay đổi từ 10-12 m-2/3 cho điều kiện hỗn loạn mạnh tới 10-17 m-2/3 cho điều kiện hỗn loạn

yếu Giá trị trung bình của thông số 2

n

C là 10-15 m-2/3 Một thông số tương tự thể hiện sự thay đổi của nhiệt độ đó là thông số cấu trúc nhiệt

độ Thông số này được ký hiệu 2

trong đó, K là số sóng không gian

Do các đặc tính ngẫu nhiên và không ổn định của môi trường hỗn loạn không khí,

rất khó để có thể biểu thị các đặc tính của môi trường bằng các phương trình toán học

Đễ có thể đưa ra những phương trình cho những đặc tính thống kê, hay còn gọi là hàm

mật độ xác suất và phương sai, của một bức xạ quang khi đi qua môi trường hỗn loạn

không khí, những giả định đơn giản nhưng hợp lý sau đây sẽ được sử dụng:

Giả định này có thể được giải thích như sau Trong quá trình hấp thụ sóng hoặc bức xạ

truyền đi của khí quyển, nhiệt được tao ra là không đáng kể so với lượng nhiệt cung cấp

bởi mặt trời vào ban ngày Do đó, ảnh hưởng của nó tới chiết suất của kênh truyền là

không đáng kể

gây ra mất mát n ng lượng cho các tia sáng được truyền đi Do vậy, n ng lượng trung