Nghiên cứu kĩ thuật WAN không dây và ứng dụng

Truyền thông quang vô tuyến có một số ưu điểm như sau: Công nghệ quang vô tuyến sử dụng IR với những ưu điển như cung cấpbăng thông rộng, đường truyền tốc độ cao Gbps, không cần yêu cầu

MỤC LỤC

Trang

CHƯƠNG 1 6

GIỚI THIỆU CHUNG 6

HÌNH 1.1 BẢN VẼ PHOTOPHONE CỦA ALEXANDER GRAHAM BELL VÀ CHARLES SUMNER 7

HÌNH 1.2 KIẾN TRÚC KẾT NỐI IR ĐẦU TIÊN ĐƯỢC ĐỀ XUẤT BỞI GFELLER VÀ CÁC CỘNG SỰ 8

BẢNG 1.1 SO SÁNH MỘT SỐ THUỘC TÍNH GIỮA FSO VÀ RF 10

CHƯƠNG 2 19

KỸ THUẬT QUANG KHÔNG DÂY 19

HÌNH 2.3 (A) SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG FSO THÔNG THƯỜNG; (B) SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG FSO SỬ DỤNG MRR 21

HÌNH 2.6 CÁC CẤU HÌNH MÁY THU: (A) MÁY THU KÊNH ĐƠN;(B) MÁY THU PHÂN TẬP GÓC; (C) MÁY THU PHÂN TẬP HÌNH ẢNH 30

HÌNH 2.9 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG FSO SỬ DỤNG SIM; (A)PHÍA PHÁT; (B) PHÍA THU TIA – TRANS-IMPEDANCE; OBPF – OPTICAL BAND PASS FILTER (BỘ LỌC QUANG THÔNG DẢI) 37

CHƯƠNG 3 58

ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG KHÔNG DÂY TRONG NHÀ 58

BẢNG 3.1: CÁC THAM SỐ CỦA LIÊN KẾT QUANG GIẢ ĐỊNH 65

BẢNG 3.2 CÁC THAM SỐ CỦA PHÂN TÍCH SỐ 66

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH

CHƯƠNG 1 6

GIỚI THIỆU CHUNG 6

HÌNH 1.1 BẢN VẼ PHOTOPHONE CỦA ALEXANDER GRAHAM BELL VÀ CHARLES SUMNER 7

HÌNH 1.2 KIẾN TRÚC KẾT NỐI IR ĐẦU TIÊN ĐƯỢC ĐỀ XUẤT BỞI GFELLER VÀ CÁC CỘNG SỰ 8

BẢNG 1.1 SO SÁNH MỘT SỐ THUỘC TÍNH GIỮA FSO VÀ RF 10

CHƯƠNG 2 19

KỸ THUẬT QUANG KHÔNG DÂY 19

HÌNH 2.3 (A) SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG FSO THÔNG THƯỜNG; (B) SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG FSO SỬ DỤNG MRR 21

HÌNH 2.6 CÁC CẤU HÌNH MÁY THU: (A) MÁY THU KÊNH ĐƠN;(B) MÁY THU PHÂN TẬP GÓC; (C) MÁY THU PHÂN TẬP HÌNH ẢNH 30

HÌNH 2.9 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG FSO SỬ DỤNG SIM; (A)PHÍA PHÁT; (B) PHÍA THU TIA – TRANS-IMPEDANCE; OBPF – OPTICAL BAND PASS FILTER (BỘ LỌC QUANG THÔNG DẢI) 37

CHƯƠNG 3 58

ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG KHÔNG DÂY TRONG NHÀ 58

BẢNG 3.1: CÁC THAM SỐ CỦA LIÊN KẾT QUANG GIẢ ĐỊNH 65

BẢNG 3.2 CÁC THAM SỐ CỦA PHÂN TÍCH SỐ 66

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

KÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT

ADRs Angle Diversity Receivers Máy thu phân gập góc

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chiatheo mã

DBIR Directed Beam Infrared Radiation Bức xạ hồng ngoại búpsóng trực tiếp

DFIR Diffuse Infrared Radiation Bức xạ hồng ngoại

khuếch tánDPIM Digital Pulse Interval Modulation Điều chế khoảng xungsố

DS-CDMA Direct-Sequence Freequency Division

Multiple Access CDMA chuỗi trực tiếpEMI Electromagnetic Interference Nhiễu điện từFDMA Freequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia

theo tần sốFH-CDMA Frequency-Hopping FreequencyDivision Multiple Access CMDA nhảy tần

FSO Free Space Optical Công nghệ quang khôngdây

IM/DD Intensity Modulation with DirectDetection Điều chế cường độ vàtách sóng trực tiếp

IrDA Infrared Data Association Liên kết dữ liệu sử dụnghồng ngoại

ISI Inter Symbol Interference Xuyên nhiễu giữa cácký hiệu

LOS Light Of Sight Tầm nhìn thẳng

M-ASK Multiple Amplitude Shift Keying Điều chế dịch biên M

trạng tháiM-FSK Multiple Frequency Shift Keying Điều chế dịch tần Mtrạng thái

MLSD Maximum-Likelihood SequenceDetector tách sóng dãy khả nănggiống nhất

M-PSK Multiple Phase Shift Keying Điều chế dịch pha Mtrạngt háiMRR Modulated Retro Reflector Điều chế đảo hướngMSM Multiple Subcarrier Modulation Điều chế đa sóng mangcon

NASA National Aeronautics and SpaceAdministration

Cục Quản trị Hàngkhông và Không gianQuốc giaNLOS Non Light of sight Không có tầm nhìnthẳng

OBPF Optical band pass filter Bộ lọc quang thông dải

OWC Optical Wireless Communications Truyền thông quang vôtuyếnPAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế biên độ xungPDM Pulse Duration Modulation Điều chế độ rộng xung

PPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xungQAM Quadrature amplitude modulation Điều chế biên cầuphương

QDIR Quasi-diffuse Infrared Radiation Bức xạ hồng ngoại cậnkhuếch tán

SDMA Space Division Multiple Access Đa truy nhập phân chiatheo không gian

SIM Subcarrier Invensity Modulation Điều chế cường độ sóngmang conSNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễuSSM Single Subcarrier Modulation Điều chế sóng mangcon đơn

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chiatheo thời gian

VLC Visible Light Communication Truyền thông ánh sángnhìn thấy

WDM Wave Division Multiplexing Ghép kênh theo bướcsóng

WDMA Wavelength Division Multiple Access Đa truy nhập phân chiatheo bước sóngWLAN Wireless Local Area Netwwork Mạng cục bộ không dây

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Lược sử phát triển của FSO

Free-Space Optics (FSO) không phải là một ý tưởng mới Những người

lính thời Hy Lạp cổ đại đã từng sử dụng những cái khiên được đánh bóng, để gửimệnh lệnh chiến đấu cho nhau qua một khoảng cách rất xa, nhờ sự phản chiếucủa ánh sáng mặt trời Gần đây hơn, những chiếc "máy quang báo" (heliographs)

đã được sử dụng để tiếp nhận các tín hiệu quân sự theo cách tương tự Nhiều nămtrước, hải quân Anh đã từng bước dùng những chiếc đèn Aldis để chuyển các tínhiệu Morse từ tàu này sang tàu kia Trong vài năm qua, một số ít công ty, nhưTerabeam, LightPointe và Cablefree Solutions, đã bắt đầu cung cấp cho cácdoanh nghiệp những hệ thống quang học điểm nối điểm (point-to-point opticalsystems) có thể gửi dữ liệu giữa các toà nhà

FSO đòi hỏi việc truyền dữ liệu từ điểm này đến điểm khác bằng bức xạ

quang qua không gian Mặc dù ý tưởng truyền thông tin bằng ánh sáng quakhông gian đã xuất hiện từ rất lâu,nhưng phải đến năm 1880 khi AlexanderGraham Bell phát minh ra Photophone thì công nghệ FSO mới chính thức đượcbiết đến Trong thử nghiệm của mình, Bell đã điều chế bức xạ ánh sáng mặt trờikết hợp cùng tín hiệu thoại và truyền dẫn với cự ly khoảng 200m Điểm thu là 1gương parabol với 1 khối selen ở tâm Tuy nhiên, thử nghiệm không mấy thànhcông, do giới hạn của trang thiết bị và sự không liên tục của bức xạ ánh sáng mặttrời

Hình 1.1 Bản vẽ Photophone của Alexander Graham Bell và Charles Sumner

Sau một thời gian dài không phát triển, cho đến đầu những năm 1960, việctìm ra nguồn quang, và quan trọng nhất là tia laze, đã đánh dấu bước phát triểnmới của công nghệ FSO Những năm 1960 cho đến 1970, một loạt các thửnghiệm đã được ghi nhận Năm 1962, Phòng thí nghiệm MIT Lincolns bằng việc

sử dụng đi-ốt phát quang GaAs đã truyền dẫn tín hiệu truyền hình đi đượckhoảng 30 dặm (48km) Tháng 3 năm 1963, một nhóm nghiên cứu làm việc tạihãng hàng không North American đã thử nghiệm và giới thiệu chiếc TV laze đầutiên và tháng 5 năm 1963, tín hiệu thoại điều chế He-Ne laze đã được truyền 118dặm (190km) từ đỉnh Panamint đến núi San Gabriel Vào khoảng năm 1970, liênkết laze đầu tiên để xử lý lưu lượng thương mại được xây dựng bởi Công ty điện

tử Nippon (NEC) của Nhật Liên kết song công sử dụng laze He-Ne 0.6328 µmgiữa Yokohama và Tamagawa với cự ly 14km (Goodwin, 1970)

Năm 1970, Gfeller và các cộng sự đã đề ra ý tưởng sử dụng IR (Infrared)

là môi trường để phát thông tin giữa các đầu cuối máy tính mà không cần cápnối Gfeller đã mô tả phương thức kết nối nhóm các đầu cuối máy tính ở tốc độthấp qua khoảng cách ngắn (50m) sử dụng bức xạ IR Các thiết bị đầu cuối nàyđặt cùng phòng, trao đổi thông tin qua vệ tinh điện-quang được gắn trên trần nhà

Vệ tinh quang này chuyển tiếp thông tin sử dụng bức xạ IR đã được tán xạ nhưsóng mang truyền tải thông tin giữa các đầu cuối máy tính Bộ điều khiển của vệtinh được kết nối tới một host qua vòng ring như mô tả trong hình 1.2, mỗi vệtinh và đầu cuối máy tính gồm bộ thu phát IR có các hướng khác nhau

Hình 1.2 Kiến trúc kết nối IR đầu tiên được đề xuất bởi Gfeller và các cộng sự

Nhưng sau đó, vì một số nhược điểm sau công nghệ FSO một lần nữa bị

Trong khoảng thời gian trên, FSO tiếp tục được nghiên cứu và sử dụngtrong quân đội cho thông tin liên lạc mật FSO còn được NASA và ESA nghiêncứu phục vụ cho các ứng dụng không gian sử dụng trong các dự án như MarsLaser Communication Demonstration (MLCD) and the Semiconductor-laserInter-satellite Link Experiment (SILEX)

Gần đây, với sự phát triển nhanh chóng và mạnh mẽ của các thiết bị quangđiện, và nhu cầu sử dụng băng thông lớn, việc hạn chế băng thông của các côngnghệ cũ, FSO một lần nữa được quan tâm Các thành công của FSO trong lĩnh

vực quân sự đã khơi dậy sự quan tâm đưa FSO vào ứng dụng trong mạng truynhập dân sự, một số thử nghiệm thành công FSO được ghi nhận trong vài nămqua là động lực khuyến khích, thúc đẩy các nhà đầu tư nghiên cứu vào lĩnh vựcnày Việc thương mại hóa và triển khai FSO vào hạ tầng truyền thông hiện nayđang là nhu cầu hàng đầu.

1.2 Giới thiệu chung

Trong những năm gần đây, đã có sự chuyển dịch mạnh mẽ về nhu cầu sửdụng thiết bị, từ cố định sang di động Máy ảnh, máy quay kỹ thuật số, laptopgiúp người sử dụng lưu giữ và xử lý một lượng lớn thông tin Thực tế này đã đòihỏi việc trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị di động với cơ sở hạ tầng cố định nhưmạng đường trục, các thiết bị lưu trữ dữ liệu… Để giải quyết yêu cầu này, giảipháp khả thi là sử dụng liên kết điện trực tiếp giữa các thiết bị di động và mộthost qua đường truyền vật lý (cáp) Nhưng các kết nối vật lý này có nhược điểmlớn là biệt là bất tiện cho người sử dụng

Tần số vô tuyến (Radio Frequency – RF) khắc phục được hầu hết cácnhược điểm của một liên kết cố định RF và mạng không dây sử dụng công nghệsóng mm có thể cung cấp lưu lượng hàng chục Mbps (kết nối điểm-đa điểm) vàhàng trăm Mpbs (kết nối điểm-điểm) Tuy nhiên, nó có hạn chế ở vấn đề băngthông, việc cấp phép và sử dụng băng thông, sự ảnh hưởng của các băng khôngđược cấp phép…

Quang học không gian tự do (Free Space Optics – FSO) là việc truyềnchùm ánh sáng thấy đã được điều chế hoặc hồng ngoại qua không gian Đây làcông 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 khônggian Một mạng truyền thông quang vô tuyến bao gồm các bộ thu-phát quang(gồm một khối thu và một khối phát) cung cấp khả năng thông tin hai chiều Mỗikhối phát quang sử dụng một nguồn quang và một thấu kính để phát tín hiệuquang qua không gian tới khối thu Tại phía thu, một thấu kính khác được sửdụng để thu tín hiệu, thấu kính này được nối với khối thu có độ nhạy cao qua mộtsợi quang Cự ly hoạt động của một tuyến FSO từ vài trăm mét tới vài km Hệ

thống FSO có thể hoạt động với cự ly khoảng vài km FSO tầm nhìn thẳng of-sight) cho phép truyền dữ liệu thoại, video với tốc độ lên đến 2.5 Gbps màkhông cần cáp hay việc cấp phép quang phổ

(line-Với các ưu điểm trên FSO là sự thay thế khả thi cho RF và hệ thống sóng

mm không dây trong mạng dữ liệu và thoại Liên kết FSO tầm ngắn được sửdụng để thay thế cho kết nối RF ở đoạn đầu hoặc cuối để cung cấp mạng băngrộng cho các doanh nghiệp cũng như cầu nối băng thông tốc độ cao cho mạngcục bộ (LAN), mạng đô thị (MAN) và mạng diện rộng (NAN) (Pentol, 1998)

Bảng 1.1 So sánh một số thuộc tính giữa FSO và RF

Hiện nay, trên thị trường, hệ thống FSO song công có thể chạy với tốc độ1.25 Gbps, phạm vi phủ sóng lên tới 4km với 2 nút tĩnh trong điều kiện thời tiếttốt FSO hoàn toàn trong suốt với các dạng truyền dẫn khác, nó có khả năng triểnkhai nhanh chóng trong mạng truy nhập hiện nay Thêm vào đó, người sử dụngchỉ phải trả một chi phí phải chăng để có thể sử dụng băng thông lưu lượng dữliệu tốc độ cao Có thể dễ dàng nhận thấy FSO là một công nghệ bổ sung khả thicho việc giải quyết các khó khăn của ngành truyền thông hiện tại Tuy nhiên, vẫncòn một bài toán khó cần được giải đáp là làm thế nào để đạt được độ khả dụngcao trong điều kiện khí hậu xấu, sương mù dày, khói và truyền dẫn FSO cự ly xa

1.2.1 Tổng quan về công nghệ

Truyền thông quang vô tuyến (Optical Wireless Communications –OWC) là hệ thống truyền thông quang sử dụng môi trường vô tuyến làm kênhtruyền thông OWC sử dụng dải sóng hồng ngoại và gần hồng ngoại (IR: 1-750

nm, gần IR: 750-950 nm) Thời gian gần đây, truyền thông quang học không dây

sử dụng IR đã và đang có những bước phát triển lớn Một lượng lớn các công ty

và các tổ chức đã và đang đầu tư nghiên cứu nhằm khai thác, phát triển những lợithế, khắc phục các hạn chế của IR

Truyền thông quang vô tuyến có một số ưu điểm như sau:

Công nghệ quang vô tuyến sử dụng IR với những ưu điển như cung cấpbăng thông rộng, đường truyền tốc độ cao (Gbps), không cần yêu cầu cấp phép,không phải lo lắng về các quy định về phổ tần giữa các nước đang ngày mộtphổ biến, nổi trội hơn công nghệ truyền thông vô tuyến RF về một số ứng dụng

Ưu điểm khác của công nghệ IR là khả năng chống chịu nhiễu điện từ(Electromagnetic Interference – EMI) Ngoài ra, IR không gây nhiễu và không bịảnh hưởng bởi các tần số vô tuyến điện Do đó, IR được lựa chọn sử dụng trongcác môi trường mà nhiễu phải được cực tiểu hóa hoặc bị loại bỏ như trong môitrường y tế, bệnh viện Ví dụ Hagihina và cộng sự đã chỉ ra rằng mạng cục bộkhông dây (Wireless Local Area Netwwork – WLAN) phát và quản lý thông tinbệnh nhân gây nhiễu cục bộ với các thiết bị y tế như máy điều hòa nhịp tim… cóthể gây ảnh hưởng đến bệnh nhân, trong trường hợp này, mạng LAN sử dụng IRhiệu quả và an toàn hơn

Một ưu điểm nữa của công nghệ IR là tính bảo mật cao Do bức xạ IRcũng giống với ánh sáng nhìn thấy, tức là có thể xuyên qua thủy tinh nhưngkhông thể xuyên qua các bức tường, đồng nghĩa với việc khi tín hiệu IR đượcphát ánh sáng mang thông tin bị giữ lại trong phòng (nếu không có vật cản trongsuốt giữa các phòng) Điều này có ý nghĩa thông tin bị ngăn không thoát rangoài, tránh được việc bị phát hiện và nghe trộm

Công nghệ IR với chi phí thấp, kích thước nhỏ, khả năng triển khai nhanh,linh hoạt trong việc thiết lập các đường liên kết truyền thông tạm thời Điều này

có được là do các hệ thống truyền thông IR sử dụng các thiết bị quang điện tửđược phát triển và cải tiến qua hàng chục năm; ví dụ như đi-ốt phát quang (Light-Emiting Diode – LED) với thời gian đáp ứng nhanh, công suất bức xạ đầu ra cao,laze đi-ốt (Laser Diode – LD) và bộ tách sóng photon đi-ốt (PIN)

Bên cạnh những ưu điểm trên, công nghệ IR cũng tồn tại những nhược

điểm: Liên kết có thể bị chặn bởi chướng ngại vật, làm tổn hao tín hiệu thu, hoặc

ngắt đường truyền hệ thống Khi hoạt động trong môi trường có sự hiện diện củacác nguồn ánh sáng khác, nếu các nguồn ánh sáng này nằm trong phổ tần củamáy phát và máy thu IR sẽ gây pha tạp, dẫn đến giới hạn khoảng cách hệ thống.Tuy có thể khắc phục được các nhược điểm trên bằng cách tăng mức công suấtquang ở máy phát, nhưng với mức phát xạ công suất cao, công nghệ này vẫn cóthể gây nguy hiểm tới võng mạc (cần có những quy định về an toàn cho mắt),dẫn đến việc tồn tại giới hạn công suất phát để đảm bảo an toàn và hiệu quả trongtruyền dẫn

Ngoài ra, hệ thống quang vô tuyến còn bị ảnh hưởng bởi các hiện tượngkhí quyển như sương mù, tuyết… làm giảm khoảng cách và chất lượng truyềndẫn tín hiệu khi hoạt động ở môi trường ngoài trời

1.2.2 Cấu hình hệ thống

Hệ thống quang học không dây trong nhà và ngoài trời có thể được bố trítheo môt số cấu hình khác nhau tùy trường hợp và yêu cầu cụ thể Nhìn chung,cấu trúc liên kết (topo mạng) được sử dụng trong hệ thống quang không dâytrong nhà (có thể được mở rộng cho các hệ thống ngoài trời) được phân loại theohai tham số:

• Tồn tại một tầm nhìn thẳng (không có chương ngại vật) giữa máythu và máy phát (Line Of Sight – LOS và không LOS – NLOS)

• Góc định hướng của máy phát, máy thu hoặc cả hai (có hướng, vôhướng hay lai ghép-hybrid)

Hình 1.3 Các cấu hình khác nhau của liên kết không dây IR

Cấu hình khác nhau của hệ thống quang học không dây được miêu tảtrong hình 1.3 Với cấu hình tầm nhìn thẳng (LOS) máy phát và thu trực tiếp nhìnthấy nhau, không có bất kỳ vật cản nào giữa chúng Ngược lại, trong các hệthống NLOS, có các vật cản giữa mát phát và máy thu, vì vậy, trong các cấu hìnhnày, có sử dụng bề mặt phản chiếu để tạo ra đường liên kết thay thế

Cấu hình LOS nâng cao hiệu quả sử dụng và hạn chế của nhiễu đa đường(multipath distortion) Tuy nhiên, liên kết giữa máy phát và thu hay cả hai đượcyêu cầu cùng lúc, dẫn đến hạn chế của hệ thống dựa trên cấu hình LOS NLOS,cho phép tăng cường liên kết vì nó cho phép hệ thống hoạt động ngay cả khi cócác chướng ngại giữa máy phát và máy thu, vấn đề của NLOS là nhiễu đađường

Bảng 1.2 Đặc điểm của các cấu hình khác nhau trong hệ thống truyền thông

không dây IR

Có hướng

(directed) • Tầm nhìn trực tiếp giữa

máy phát và máy thu

• Chuẩn trực (Collimated)chùm tia phát xạ từ máyphát

• Vùng nhìn thấy view – FOV) tại máy thuhẹp

(Field-of-• Tốc độ bit tối đa

• Sử dụng các bề mặt phảnchiếu

• Vùng nhìn thấy tại máythu hẹp

• Chuẩn trực chùm tia phát

xạ từ máy phát

• Tính linh hoạt bị hạn chế

Vô hướng

(non-directed) • Tầm nhìn trực tiếp giữa

máy phát và máy thu

• Chùm tia phát xạ từ máyphát rộng

• Vùng nhìn thấy tại máy thurộng

• Tính linh hoạt cao

• Ít bị blocking

• Không có tầm nhìn trựctiếp giữa máy phát vàmáy thu

• Chùm tia phát xạ từ máyphát rộng

• Vùng nhìn thấy tại máythu rộng

• Tính linh hoạt cao

• Ít bị blocking

• Nhiễu đa đường caoLai ghép

(hybird) • Tầm nhìn trực tiếp giữa

máy phát và máy thu

• Chuẩn trực chùm tia phát

xạ từ máy phát và chùm tiaphát xạ từ máy phát rộnghoặc cùm tia phát xạ từmáy phát rộng và vùng nhìnthấy tại máy thu hẹp

• Tương đối linh hoạt

• Tương đối nhạy cảm vớiblocking

• Không có tầm nhìn trựctiếp giữa máy phát vàmáy thu

• Chuẩn trực chùm tia phát

xạ từ máy phát và chùmtia phát xạ từ máy phátrộng hoặc cùm tia phát xạ

từ máy phát rộng và vùngnhìn thấy tại máy thu hẹp

• Tương đối linh hoạt

• Tương đối nhạy cảm vớiblocking

1.2.3 Các ứng dụng của FSO

Truyền thông quang vô tuyến có một số ứng dụng sau:

lạc giữa vệ tinh-vệ tinh, vệ tinh-trái đất

• Các thiết bị bay: ứng dụng cho vệ tinh-thiết bị bay và ngược lại.

• Không gian: sử dụng trong thông tin liên lạc giữa tàu vũ trụ-trái

đất, vệ tinh-tàu vũ trụ

Về mặt công nghệ, ứng dụng ít thách thức nhất là sử dụng FSO làm đườngtruyền số liệu kết nối các tòa nhà đô thị (kết nối giữa các mạng LAN) Trong ứngdụng này, cự ly tuyến FSO từ vài trăm mét cho tới vài km, việc triển khai FSOđơn giản và tốn ít chi phí lắp đặt hơn bất kỳ loại cáp nào FSO có thể sử dụnglàm đường truyền dẫn tốc độ cao nối người dùng Internet với nhà cung cấp hoặccác mạng khác Nó cũng có thể được sử dụng làm hệ thống mạng vòng đô thị đểcung cấp các kết nối tốc độ cao cho các doanh nghiệp FSO có thể được dùng đểmang lưu lượng của mạng di động từ ăng-ten tới các thiết bị khác của mạng

1.2.4 Các thách thức đối với hệ thống FSO

Giới hạn cơ bản của FSO do môi trường truyền dẫn gây ra Ngoài việctuyết và mưa có thể làm cản trở đường truyền quang, FSO chịu ảnh hưởng mạnhbởi sương mù và sự hỗn loạn của không khí Những thách thức chính trong việcthiết kế các hệ thống FSO như sau (Hình 1.4):

Hình 1.4 Những thách thức đối với FSO

a) Sương mù: Sương mù là một thách thức chính đối với hệ thống quang

học vô tuyến FSO 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 lancủa ánh sáng hoặc ngăn cản hoàn toàn sự truyền lan của ánh sáng thông qua sựkết 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 tuyếnFSO

b) Sự nhấp nháy: 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 nhữngtúi khí có mật độ thay đổi nhanh dẫn tới sự thay đổi nhanh chỉ số chiết xuất, đóchính là nguyên nhân gây ra sự hỗn loạn Các túi khí này đóng vai trò như nhữngthấu kính có đặc tính thay đổi theo thời gian và làm tỷ lệ lỗi bit của các hệ thốngFSO tăng mạnh, đặc biệt là khi có ánh sáng mặt trời

c) 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 kểcủa búp sóng quang Sự trôi búp cũng có thể là kết quả của các hoạt động địachấn gây ra sự dịch chuyển tương đối giữa vị trí của laser phát và bộ thu quang

d) Giữ thẳng hướng phát-thu khi tòa nhà dao động: Giữ thẳng hướng giữa

khối phát và khối thu là rất quan trọng, nhằm đảm bảo sự thành công của việctruyền 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 nhữngtrận động đất yếu, có thể gây ra sự lệch hướng Trong khi sự dãn nhiệt có đặctính chu kỳ theo ngày hoặc mùa thì động đất lại không thể dự đoán được Mộtnguyên nhân gây ra sự lệch hướng nữa là gió, đặc biệt khi các thiết bị thu phátđược đặt trên các tòa nhà cao Sự dao động của tòa nhà là một quá trình ngẫunhiên làm ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống và gây ra lỗi.

e) Sự an toàn cho mắt: Với sự gia tăng 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 antoàn 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 trêncho cường độ búp sóng phát của laser

1.3 Tóm tắt và kết luận chương

Chương 1 đã tóm tắt lược sử phát triển và giới thiệu sơ lược về hệ thốngquang học không gian tự do, những lý do mà IR được lựa chọn để thay thế RF cóthể kể đến như:

• Băng thông cao, không cần cấp phép

• Bảo mật tốt

• Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ

• Không bị ảnh hưởng bởi các bức xạ IR từ các phòng lân cận

• Chi phí thấp, kích thước nhỏ, hạn chế công suất tiêu thụ

Những khó khăn, hạn chế của công nghệ FSO cũng được đề cập đến, cungcấp một cái nhìn tổng quan về công nghệ FSO, so sánh nó với công nghệ RF.Những nhược điểm của FSO như:

• Khả năng tắc nghẽn đường truyền khi có chướng ngại vật

• Ảnh hưởng bởi các nguồn ánh sáng nền

• Suy hao cao của các tín hiệu IR khi truyền trong không khí

• Hạn chế công suất phát để đảm bảo an toàn cho mắt

• Ảnh hưởng của hiện tượng khí quyển.

Từ các ưu nhược điểm trên, ta có thể thấy rằng, không phải là công nghệ

IR sẽ thay thế hoàn toàn RF và ngược lại Hai công nghệ này hoạt động songsong, bổ sung cho nhau, tùy trường hợp, yêu cầu và hệ thống cụ thể mà IR hay

RF được sử dụng

Các cấu hình khác nhau cũng được đề cập tới trong chương, nêu lênnhững ưu, nhược điểm và so sánh chúng với nhau Hệ thống FSO sử dụng IR cóthể được phân chia theo góc định hướng của máy phát (có hướng, vô hướng, laighép) hoặc sự tồn tại tầm nhìn thẳng giữa máy phát và máy thu (LOS, NLOS)

Một số mạng không dây sử dụng IR đã được sản xuất để phục vụ giáo dục

và thương mại Đối với hệ thống ngoài trời tốc độ, thực nghiệm đã truyền dữ liệuvới tốc độ lên tới 40 Gbps, khoảng cách hơn 25 dặm, với hệ thống trong nhà, tốc

độ 155 Mbps và khoảng cách là 30 m

Với các ưu điểm của mình FSO đang được đặc biệt quan tâm Các nhà sảnxuất, nhà nghiên cứu đang nỗ lực tìm cách cải thiện, nâng cao tốc độ bit và đạtđược tỉ số tín hiệu trên nhiễu cao hơn, giảm công suất tiêu thụ của hệ thống Cáccấu trúc liên kết và kiến trúc truyền thông quang học không dây mới được đềxuất, rất nhiều thí nghiệm và phân tích kênh vô tuyến IR đã và đang được tiếnhành Có thể tin tưởng rằng, trong tương lai, FSO sẽ đặc biệt phát triển triểnmạnh mẽ và ứng dụng rộng rãi

CHƯƠNG 2

KỸ THUẬT QUANG KHÔNG DÂY

2 Hệ thống quang không dây

2.1 Mô tả hệ thống

2.1.1 Khái quát hệ thống

Sơ đồ khối của một hệ thống FSO điển hình được thể hiện trong hình 2.1.Cũng như các hệ thống truyền thông khác, hệ thống FSO gồm ba khối chính:khối phát, môi trường truyền dẫn và khối thu

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống FSO

Về cơ bản, FSO là việc chuyển các tín hiệu,dữ liệu,thông tin giữa hai điểmbằng việc sử dụng bức xạ quang học qua một kênh không điều khiển (có thể làchân không, nước, không khí; ở đây ta chỉ xem xét hệ thống FSO mặt đất và môitrường truyền là không khí) Tín hiệu được truyền đi có thể được điều chế pha,cường độ, tần số Một liên kết FSO chủ yếu dựa trên LOS Vì vậy để thiết lậpmột liên kết, máy phát và máy thu phải trực tiếp nhìn thấy nhau và không có bất

kỳ chướng ngại vật nào giữa chúng

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống quang vô tuyến (IR) điển hình

Hình 2.2 là sơ đồ khối hệ thống quang vô tuyến điển hình Hệ thốngquang vô tuyến cơ bản gồm máy phát sử dụng LED hoặc LD, môi trường truyềndẫn là không gian tự do, máy thu sử dụng đi-ốt APD hoặc đi-ốt PIN Thông tinthường ở dạng dữ liệu số được đưa tới mạch điện thực hiện điều chế nguồn ánhsáng phát (LED/LD) Đầu ra của nguồn được đưa qua hệ thống quang (telescope

và bộ ghép (diplexer) quang), sau đó được phát qua môi trường không gian sửdụng ăng-ten quang Ở đầu thu sử dụng ăng-ten quang tập trung búp sóng quang,sau đó đưa tới bộ tách sóng tín hiệu quang (đi-ốt PIN hoặc đi-ốt APD) và tiếp tụcđược đưa tới phần xử lý tín hiệu điện nhằm khôi phục tín hiệu thông tin

Dải bước sóng 780 nm – 950 nm là sự lựa chọn tốt nhất cho các hệ thốngquang vô tuyến trong nhà Ở dải bước sóng này, các LED và LD với chi phí thấpkhả dụng; băng tần trùng với đáp ứng đỉnh của các photon đi-ốt silicon điện dungthấp, chi phí thấp

Hệ thống quang vô tuyến sử dụng công nghệ IR trong đó các đường liênkết sử dụng điều chế cường độ và tách sóng trực tiếp (Intensity Modulation withDirect Detection – IM/DD) sóng mang quang Điều chế cường độ được thực hiệnbằng cách biến đổi dòng điều khiển của LED hoặc LD (điều chế trực tiếp) Táchsóng trực tiếp được thực hiện bằng đi-ốt PIN hoặc đi-ốt APD, cung cấp dòngđiện tỷ lệ với công suất quang tới

Hệ thống truyền thông FSO có hai dạng Dạng thứ nhất là hệ thống FSOthông thường (Hình 2.3a) cấu hình điểm điểm với hai điểm thu phát giống nhau.Dạng thứ hai là hệ thống FSO sử dụng điều chế đảo hướng (Modulated RetroReflector – MRR) Liên kết laze truyền thông sử dụng MRR gồm hai thiết bị đầucuối khác nhau, liên kết bất đối xứng (Hình 2.3 b).

Hình 2.3 (a) Sơ đồ khối hệ thống FSO thông thường; (b) Sơ đồ khối hệ thống

FSO sử dụng MRR

Trong hình 2.3b, một đầu cuối sử dụng điều chế đảo hướng MRR, đầucuối còn lại là thiết bị truy vấn (interrogator) Bên truy vấn sẽ chiếu một chùmlaze có bước sóng liên tục (Continuous wave – CN) về phía MRR Sau đó,MRR điều chế chùm tia CN với các chuỗi dữ liệu đầu vào và đảo hướng trở vềbên truy vấn Đầu truy vấn nhận và tổng hợp các chùm tia phản hồi và khôiphục chuỗi dữ liệu Có thể biến hệ thống đơn công trên, thành hệ thống bánsong công bằng cách thêm bộ tách sóng quang tại đầu cuối MRR

2.1.2 Các tính năng cơ bản của hệ thống FSO

a) Băng thông điều chế lớn: Nói chung, tần số sóng mang quang học bao

gồm hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy và tia cực tím lớn hơn nhiều so với RF.Trong bất cứ hệ thống truyền thông nào, lượng thông tin được chuyển đi đềuliên quan trực tiếp liên quan đến băng thông Việc sử dụng sóng mang quanghọc có dải tần từ 1012 – 1016 Hz tương đương với 2000 THz băng thông dữ liệu,trong khi dải tần của RF chỉ khoảng 105

b) Kích thước chùm tia hẹp: Một ưu điểm của bức xạ quang học là một

chùm tia laze thông thường có giới hạn nhiễu xạ phân kỳ (diffraction limitdivergence) khoảng 0.01 – 0.1 mrad (Killinger, 2002) Điều này có nghĩa là,năng lượng truyền dẫn chỉ tập trung trong một vùng rất hẹp Do đó hạn chếđược các ảnh hưởng của các vật gây nhiễu tiềm năng Sự hạn chế về khônggian cho phép chùm tia laze hoạt động gần như độc lập, hầu như không giớihạn trong việc tái sử dụng tần số, gây khó khăn trong việc chặn và ăn cắp dữliệu

c) Không cần cấp phép quang phổ: Một vấn đề lớn với truyền thông sử

dụng RF là việc nghẽn phổ tần và ảnh hưởng của các sóng mang lân cận Đểgiảm thiểu vấn đề này, các cơ quan quản lý đã đưa ra các quy định nghiêmngặt Cần phải trả một khoản chi phí lớn để được cấp phát một phần phổ tần

RF Ngược lại, các tần số quang học hoàn toàn miễn phí và không cần cấpphép, ít nhất là cho đến thời điểm hiện tại, giúp giảm thời gian, chi phí lắp đặtban đầu và triển khai hệ thống

d) Giá rẻ: Với tốc độ dữ liệu như nhau, giá thành cho việc lắp đặt và triển

khai FSO thấp hơn so với RF FSO có thể cung cấp một đường truyền với băngthông như sợi quang nhưng không mất chi phí lắp đặt, chôn cáp Dựa trên thực tếtriển khai của công ty fSONA, một công ty FSO có trụ sở tại Canada, chi phí cho

1 Mbps mỗi tháng sử dụng hệ thống FSO chỉ bằng một nửa so với các hệ thống

sử dụng RF (Rockwell và Meckerle, 2001)

e) Thời gian triển khai và tái triển khai nhanh: Chỉ mất khoảng 4 giờ để

lắp đặt và đưa một hệ thống FSO vào hoạt động Yêu cầu tiên quyết là việc thiếtlập một tầm nhìn thẳng (không có chướng ngại vật) giữa điểm thu và phát

f) Phụ thuộc vào thời tiết: Hiệu suất của hệ thống FSO phụ thuộc trực tiếp

vào điều kiện thời tiết Thách thức lớn nhất của hệ thống FSO là tính không ổnđịnh Không chỉ FSO, các hệ thống sử dụng RF hay liên lạc vệ tinh cũng bị mấttrong thời tiết mưa to hay bão

Ngoài các đặc điểm kể trên, hệ thống FSO còn có các tính năng khác như:

• Được hưởng lợi từ hệ thống quang sợi và quang điện tử hiện có

• Không gây nhiễu điện từ

• Khác với hệ thống sử dụng dây, FSO không cố định và có thể phụchồi

• Bức xạ phải nằm trong giới hạn an toàn

• Công suất tiêu thụ thấp

• Yêu cầu tầm nhìn và sự chính xác trong lắp đặt (do chùm tia rấthẹp)

2.1.3 Bước sóng hoạt động

Bước sóng hoạt động là tham số quan trọng của hệ thống FSO Việc lựachọn bước sóng hoạt động dựa trên nhiều tham số kỹ thuật như sự an toàn chomắt, quỹ đường truyền, sự khả dụng của nguồn tốc độ cao và khả năng, chi phíxây dựng hệ thống WDM

Các hệ thống thông tin quang vô tuyến hiện nay sử dụng các bước sóngtrong khoảng từ 400 nm – 2000 nm Bức xạ cực tím (bước sóng λ < 400 nm)không được sử dụng Các bước sóng λ > 2000 nm yêu cầu các thiết bị tách sóngphải được làm mát để giảm nhiệt của các sóng mang

Tương tự như thông tin sợi quang, hệ thống FSO sử dụng các băng tần:

• Băng tần có bước sóng 400 nm – 750 nm, đây là dải phổ ánh sángnhìn thấy Băng tần này được sử dụng cho truyền thông ánh sáng

nhìn thấy (Visible Light Communication – VLC) Hiện tại người

ta mới chỉ sử dụng được có 3 dãy Red Green Blue (phát ra từ đènLED) trong toàn bộ vùng phổ này để truyền thông tin

• Băng tần có bước sóng 750 nm – 950 nm (vùng gần hồng ngoại),

có thể sử dụng các photon đi-ốt

• Băng tần có bước sóng khoảng 1300 nm

• Băng tần có bước sóng khoảng 1550 nm

Mỗi băng tần có các ưu nhược điểm riêng Từ quan điểm kỹ thuật, bướcsóng xác định:

• Các tính chất vật lý của kênh truyền giữa máy phát và máy thu

• Các tính chất vật lý cả các phần từ điện quang và quang

• Công suất phát cực đại cho phép đảm bảo an toàn cho mắt

Các tham số kỹ thuật quan trọng như tốc độ dữ liệu, khoảng cách truyềndẫn, năng lượng tiêu thụ phụ thuộc vào dải bước sóng được lựa chọn Tuy nhiên,bước sóng hoạt động cũng quyết định các vấn đề kinh tế như chi phí chế tạo haytính gọn nhẹ của thiết bị

Bảng 2.1 So sánh các đặc tính cơ bản của các băng tần

2.2 Các thành phần hệ thống

Các phần tử như LD, LED, các máy thu tốc độ cao, các bộ khuếch đạiquang, điều chế quang… đã được nghiên cứu và phát triền khoảng hơn 30 nămcho các hệ thống thông tin sợi quang Các phần tử này cũng được sử dụng chocác hệ thống quang vô tuyến

2.2.1 Máy phát

Việc lựa chọn nguồn quang phụ thuộc phần lớn vào chi phí và chất lượng.Đối với các hệ thống có chi phí không cao, có hai sự lựa chọn nguồn quang: đi-ốtphát quang (LED) và laze đi-ốt (LD)

Ưu điểm của LED là chi phí thấp, mạch điều khiển đơn giản đi cùng với

đó là những nhược điểm, hiệu quả biến đổi điện-quang thấp, băng thông hạn chế,

độ rộng phổ lớn (khoảng 40nm), điều này không cho phép sử dụng bộ lọc quangbăng hẹp ở máy thu Do đó, LED thường được sử dụng trong các ứng dụng cóchi phí thấp, tốc độ dữ liệu không quá 100 Mbps LED có công suất thấp, do đó

có thể đáp ứng các yêu cầu về an toàn mắt mà không cần các phẩn tử hỗ trợ.LED có thể hoạt động ở các bước sóng khác nhau phụ thuộc vào vật liệu Bảng2.2 mô tả các vật liệu bán dẫn và bước sóng phát xạ được sử dụng của LED

Bảng 2.2 Vật liệu bán dẫn và bước sóng của LED

độ rộng phổ hẹp Do đó, LD phù hợp với các ứng dụng có tốc độ dữ liệu cao, tốc

độ LD cung cấp có thể lên tới hàng Gbps LD là nguồn bức xạ có tính định

hướng cao, công suất lớn trong vùng nhỏ trên võng mạc có thể dẫn đến mù lòa;

vì lý do an toàn cho mắt, LD không được sử dụng trực tiếp cho các hệ hống IRtrong nhà, bức xạ có thể thâm nhập vào mắt dễ dàng Để sử dụng LD, LD cầnphải được khuếch tán

Bảng 2.3 Vật liệu bán dẫn và bước sóng của LD

So sánh giữa LED và LD được mô tả trong Bảng 2.4

Bảng 2.4 So sánh một số đặc điểm giữa LED và LD

Độ rộng quang phổ 25 – 100 nm

(10 – 50 THz)

<10-5 – 5 nm(<1 MHz – 2 MHz)Băng thông điều chế 10’s Khz – 10’s MHz 10’s MHz – 10’s

GHz

An toàn cho mắt An toàn cho mắt

Cần giới hạn đểđảm bảo an toàncho mắt λ < 1400

nm

2.2.2 Môi trường truyền dẫn

Môi trường truyền dẫn của hệ thống FSO có thể là nước, chân không,không khí Ta chỉ xét môi trường truyền dẫn là không khí Không khí được địnhnghĩa là lượng khí bao phủ một thiên thể, ở đây là trái đất Trái đất có bầu khíquyển cao 560 km được giữ lại nhờ vào lực hấp dẫn Bầu khí quyển chủ yếu baogồm Nitơ 72%, Oxi 21% và các chất khác như Argon, hơi nước, CO2… ngoài racòn có các thành phần khác, như bụi, tro…

Hơi nước trong không khí tồn tại dưới dạng mây hoặc sương mù, chúngcũng có thể ngưng tụ thành mưa, tuyết Các hiện tượng này gây ảnh hưởng trựctiếp đến liên kết FSO hoạt động ở phần dưới của bầu khí quyển, gần với bề mặttrái đất (tầng đối lưu) Do đó trong truyền thông FSO, việc các hiệu ứng khíquyển hấp thụ các chùm tia cần được tính tới, đặc biệt là trong điều kiện thời tiếtbất lợi như sương mù, khói, tuyết, mưa lớn… Sự kết hợp hấp thụ trực tiếp ánhsáng từ các hiệu ứng khí quyển và sự tán xạ ánh sáng laze được mô tả bởi hệ sốsuy giảm đường truyền α(z).

Có thể dễ dàng tính được công suất thu P R trong trường hợp không có tác

Khi sự nhiễu loạn không khí được tính tới, các hiệu ứng khí quyển sẽ ảnh

hưởng đến hệ thống FSO rõ ràng hơn Sự nhiễu loạn không khí được gây ra bởi

sự thay đổi nhiệt độ trong bầu khí quyển Sóng quang học truyền qua không khínhiễu loạn sẽ thay đổi biên độ và pha, dẫn đến một số hiệu ứng: chùm tia bị phânthành nhiều phần, chệch ra ngoài chùm tia, tăng độ rộng chùm tia, tăng nhiễu.Đường truyền càng xa thì ảnh hưởng của nhiễu loạn không khí càng lớn

Bên cạnh đó, không khí còn có thể làm méo sóng quang học khi truyềnqua các đám mây dày đặc Với liên kết FSO có công suất phát cao, xung quang

hẹp, sự tán xạ trong khí quyển có thể gây ra hiệu ứng đa đường Các vùng xung

bị lệch sẽ đến điểm thu chậm hơn các xung trực tiếp, điều này làm mở rộng vùngxung tại máy thu so với xung phát

Hình 2.4 Sự suy giảm liên kết FSO trong điều kiện thời tiết khác nhau (thời tiết

tốt, sương mù mỏng, sương mù, và sương mù dày), với PT = 10 mW; θ = 1 mrad;

đường kính thu = 100 mm.

Ngoài ra, hệ thống FSO còn bị ảnh hưởng từ tổn hao không gian tự do vàfading tín hiệu

Tổn hao không gian tự do: Tổn hao không gian tự do làm một phần công

suất phát bị tổn thất, phía thu không thu được hoàn toàn chùm tia phát (Hình2.5) Tổn hao điển hình đối với hệ thống điểm – điểm hoạt động với búp sóng hơiphần kỳ là khoảng 20 dB, trong khi đó hệ thống trong nhà sử dụng búp sóng cógóc rộng chịu tổn hao khoảng 40 dB hoặc lớn hơn

Fading tín hiệu: Fading tín hiệu có thể xảy ra với cả hệ thống quang vô

tuyến trong nhà và ngoài trời Fading do hiện tượng truyền sóng đa đường gâynên trong khoảng thời gian ngắn hoặc qua khoảng cách ngắn Các tia sóng truyền

dẫn theo các đường khác nhau có pha khác nhau tại điểm thu, dẫn tới sự tănggiảm cường độ trường tại điểm thu, có thể gay suy giảm chất lượng tín hiệu thu.

Hình 2.5 Tổn hao không gian tự do

2.2.3 Máy thu

Tại máy thu, các tín hiệu quang phải được biến đổi ngược trở lại thành tínhiệu điện, sự biến đổi quang điện này được thực hiện bằng các bộ tách sóngphoto Tách sóng photo được thực hiện bởi đáp ứng của các vật liệu photo vớiánh sáng tới, nhờ đó cung cấp các electron tự do Các electron này có thể trựctiếp tạo thành dòng điện khi sử dụng một điện thế ngoài

a) Cấu hình máy thu

Hình 2.6 Các cấu hình máy thu: (a) Máy thu kênh đơn;(b) Máy thu phân tập

góc; (c) Máy thu phân tập hình ảnh

Các hệ thống máy thu quang có thể được đặc tả bởi vùng nhìn thấy (FOV)

và diện tích thu của chúng Các thông số này liên hệ với vùng tách sóng bởi địnhluật bức xạ không đổi như sau:

(2.2)

Trong đó A coll là vùng thu thập và A det là vùng tách sóng Công thức 2.2

rất quang trọng vì nó giới hạn vùng thu thập khả dụng đối với FOV và photo táchsóng xác định Đối với kênh khuếch tán thực, vùng tách sóng xác định lượngcông suất thu được Hệ thống quang thu thay đổi sự cân bằng giữa FOV và vùngthu theo quang hệ trong công thức 2.2

Cả hệ thống quang hình và không hình có thể được sử dụng để thu vàtậptrung bức xạ vào các bộ tách sóng phần tử đơn Một số cấu hình máy thu được

mô tả trong Hình 2.6 Trong hệ thống phân tập góc, một số máy thu kênh đơnđược kết hợp, mỗi máy thu ở một hướng khác nhau Điều này cho phép phân giảicác thành phần đa đường và các vùng thu của máy thu được tăng lên (Hình 2.6(b)) Các máy thu hình ảnh (Hình 2.6 (c)) cũng thực hiện chức năng tương tự.Máy thu hình ảnh sử dụng mảng tách sóng phân điểm vùng rộng và hệ thốnghình ảnh quang Ánh sáng từ dải hẹp các hướng được thu thập bởi pixel đơn,cùng với mảng pixel, cung gấp góc nhìn FOV rộng Nó cho phép các thành phần

đa đường từ các hướng khác nhau được phân giải khi chúng được hình ảnh hóa

thành các pixel khác nhau trên mảng Mảng cũng cho phép vùng tách sóng rộngđược phân đoạn, giảm điện dung trên mỗi máy thu Cả hai cấu hình trên đều cóthể giảm hiệu ứng bóng râm (shadown) nhờ chọn đường không bị bóng râm và

có thể sử dụng bộ kết hợp,bộ san bằng để cực đại hóa tín hiệu thu được và giảm

tỉ lệ lỗi bit (Bit error rate – BER)

1500 nm như mô tả trong Bảng 2.5

APD sử dụng hiệu ứng thác để đạt được tăng ích tạp âm thấp, độ tăng íchnội bộ này của APD làm tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu (Signal to Noise Ratio –SNR) Quỹ công suất tăng của APD cung cấp khả năng chống chịu trên đườngtruyền thông tốt hơn, cho phép giảm công suất phát APD phù hợp với các ứngdụng mà bức xạ nền có thể bỏ qua Tuy nhiên, trong các hệ thống quang vô tuyếnthì tạp âm bắn (Shot Noise) gây ra bởi ánh sáng xung quanh là nguồn tạp âm trội,nên tăng tích của APD gây ảnh hưởng đến chất lượng APD có phản ứng chậmhơn so với PIN (Bảng 2.5) Hơn nữa, các máy thu APD có chi phí cao và yêu cầuđiện áp hoạt động cao

Bảng 2.5 Đặc tính của các bộ tách sóng photo sử dụng trong cách hệ thống FSO

Loại đi-ốt và

vật liệu chế tạo

Dải bước sóng

Đáp ứng

Thời gian khởi động

PIN InGaAs 1000 – 1700 0.9 1 0.01 – 5 nsAPD

Bộ lọc quang cũng được sử dụng để làm tổn hao bức xạ nền ngoài băng

Có hai kiểu bộ lọc quang là bộ lọc quang thông dải và thông dài Các bộ lọcthông dài được chế tạo bởi thủy tinh màu, cho qua tất cả các bước sóng dài hơnmột bước sóng cắt cụ thể Kết hợp với đi-ốt PIN, thường có độ nhạy từ 400 nmđến 1.1 µm, các bộ lọc quang thông cao có đáp ứng thông dải với độ rộng phổ cỡvài trăm nm Các bộ lọc quang thông dải còn được gọi là bộ lọc nhiễu được xâydựng bởi nhiều lớp, và có thể có băng thông rất hẹp Các bộ lọc này hết sức hiệuquả khi kết hợp với các nguồn laze đi-ốt Tuy nhiên, một trong những đặc tínhcủa bộ lọc thông dải là dải thông dịch chuyển khi góc tới thay đổi Điều này dẫnđến góc nhìn FOV hẹp, có thể không được sử dụng trong các đường liên kếtNLOS

2.3 Các kỹ thuật sử dụng trong FSO

2.3.1 Các kỹ thuật điều chế

Việc chọn lựa phương thức điều chế là rất quan trọng khi thiết kế một hệthống FSO Kỹ thuật điều chế được sử dụng quyết định các thông số có ảnh

hưởng đến hiệu suất chung của hệ thống như băng thông, hiệu suất sử dụng nănglượng.

Ở các tần số thấp, thường dưới 100 kHz, tạp âm và nhiễu từ các nguồnsáng xung quanh sẽ làm suy giảm đến chất lượng máy thu Vì thế truyền dẫn dữliệu ở băng tần cơ sở không phù hợp để đảm bảo truyền dẫn tín hiệu ổn địnhtrong hệ thống quang vô tuyến Do đó, các sơ đồ điều chế cần phải dịch phổ tần

cỡ vài trăm Hz Có nhiều sơ đồ điều chế phù hợp với các hệ thống quang vôtuyến, mỗi sơ đồ có ưu nhược điểm riêng Vì công suất quang trung bình phát xạbởi máy phát IR bị hạn chế nên chất lượng của các kỹ thuật điều chế được sosánh theo mức công suất quang thu được trung bình được yêu cầu để đạt được tỷ

lệ lỗi bit mong muốn ở tốc độ dữ liệu xác định Các máy thu phần tử đơn sử dụngcác bộ tách sóng photo có bề mặt rộng (điển hình là cỡ 1 cm2), nhờ đó cải thiện

tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR) thu được, làm tăng hiệu quả thu phát Tuy nhiên,điện dung cao kết hợp với các bộ tách sóng photo có bề mặt rộng sẽ giới hạnbăng thông máy thu, do đó hiệu quả băng thông của sơ đồ điều chế cần được đưavào tính toán

Trong truyền thông FSO, điều chế có hai bước Bước đầu tiên, thông tinđược phát sẽ được mã hóa thành các dạng sóng và sau đó các dạng sóng này sẽđược điều chế cường độ hoặc biên độ tín hiệu của ánh sáng hồng ngoại và đượcphát xạ phía thu sử dụng tách sóng trực tiếp (IM/DD) Trong thực tế, điều chếbiên độ bởi ban tin không được sử dụng do các đường liên kết quang vô tuyến bịảnh hưởng của dao động biên độ mạnh

Trong những năm vừa qua, nhiều kỹ thuật điều chế như điều chế tương tự,điều chế số và điều chế xung đã được nghiên cứu và thử nghiệm nhằm cải thiệnhiệu suất của các liên kết FSO Một số phương thức điều chế phổ biến nhất hiệnnay là: điều chế khóa bật tắt (On-Off Keying), điều chế vị trí xung (PulsePosition Modulation – PPM) và điều chế sóng mang con (SubcarrierModulation)

2.3.1.1 Khóa bật-tắt (OOK)

Điều chế khóa bật-tắt (OOK) là kỹ thuật đơn giản nhất để truyền tín hiệuquang trong hệ thống FSO Trước khi truyền dẫn, thông tin được mã hóa thành

mã cụ thể như Manchester, RZ (Return To Zero) hoặc NRZ (Non-Return ToZero) để tạo thành dòng các xung Ở sơ đồ OOK, xung được phát nếu bit mã là

‘1’ trong suốt một khe thời gian cố định và ‘0’ biểu diễn sự vắng mặt của xung

trong suốt khe thời gian Các xung có thể có chu kỳ duty (d) khác nhau Khi sử dụng chu kỳ d<1, băng thông tăng và giảm công suất Đây là lý do mà OOK với

các xung RZ được sử dụng phổ biến hơn trong các hệ thống quang vô tuyến.OOK được sử dụng trong các hệ thống IR thương mại như các đường liên kếtIrDA (Infrared Data Association) hoạt động ở tốc độ dưới 4 Mbps Trong cácđường liên kết này, tín hiệu trở về không nghịch đảo (RZI) được sử dụng

Để làm giảm sự phức tạp của bộ điều biến, hình ảnh biểu thị xung thường

là hình chữ nhật Bit rate có thể biểu thị bằng R B = 1/T b , trong đó T b là khoảngthời gian truyền 1 bit Khoảng thời gian này có mối quan hệ trực tiếp với tốc độ

mà tại đó nguồn dữ liệu có thể bật hoặc tắt Hình dạng của xung OOK được thểhiện trong Hình 2.7

Kỹ thuật điều chế tín hiệu kết hợp NRZ-OOK được ưa thích hơn trongmột số hệ thống quang học không dây trong nhà

2.3.1.2 Điều chế xung

Các hệ thống truyền thông quang vô tuyến trong nhà yêu cầu các kỹ thuậtđiều chế có tốc độ truyền dẫn số cao với công suất máy phát trung bình thấp.Điều chế khóa OOK không thể cung cấp công suất trung bình mà nhiều ứng dụngquang vô tuyến yêu cầu Bằng cách sử dụng sơ đồ điều chế xung trong đó dải cácđặc tính phụ thuộc thời gian của sóng mang xung được sử dụng để mang thôngtin, có thể đạt được công suất trung bình cao hơn, đáp ứng được yêu cầu của cácứng dụng quang vô tuyến

Các sơ đồ điều chế xung gồm: (1) Điều chế vị trí xung (Pulse PositionModulation – PPM), (2) Điều chế biên độ xung (Pulse Amplitude Modulation –PAM) và (3) Điều chế thời gian xung (Pulse Duration Modulation – PDM)

Trong hệ thống FSO, kỹ thuật điều chế xung được sử dụng phổ biến là PPM

PPM và các biến thể của sơ đồ này là kỹ thuật điều chế tốt nhất cho các hệ

thống truyền thông quang vô tuyến IM/DD/ Trong PPM, M bit dữ liệu được ánh

xạ thành một trong L ký hiệu có thể có trong đó L=2 M Mỗi ký hiệu gồm một

xung chiếm một khe và L-1 khe trống Thông tin được mã hóa bởi vị trí của xung bên trong ký hiệu (Hình 2.8) Các khe còn được gọi là các “chip” Trong sơ đồ L- PPM, công suất quang không đổi LP t (W) được phát chỉ trong một chip, trong

khi (L-1) chip sẽ có công suất bằng không; P t là công suất phát trung bình Bằng

cách tăng số lượng bit trên mỗi ký hiệu, thì hiệu quả công suất của mã được cảithiện nhưng sử dụng nhiều băng thông hơn, hiệu quả băng thông giảm

Hình 2.8 Xung 4-PPM và 16-PPM

PPM được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông IR và đượclựa chọn cho tiêu chuẩn lớp vật lý hồng ngoại IEEE 802.11 PPM cũng được sửdụng trong các đường liên kết dữ liệu nối tiếp IrDA hoạt động ở tốc độ 4 Mbps

Có một số kiểu PPM như PPM vi sai và PPM chồng lặp PPM có công suất trungbình cao, nhưng do hiệu quả băng thông thấp nên dễ bị ảnh hưởng của truyền dẫn

đa đường dẫn đến ISI Ảnh hưởng của ISI trong PPM có thể được khắc phục nhờ

sử dụng tách sóng dãy khả năng giống nhất (Maximum-Likelihood SequenceDetector – MLSD), san bằng và điều chế mã lưới Kỹ thuật điều chế mã lưới(Trellis Coded Modulation – TCM) có thể được sử dụng cho PPM để chống lạiISI với độ phức tạp giải mã thấp So với OOK, PPM tăng độ phức tạp hệ thống vìmáy thu yêu cầu đồng bộ khe và đồng bộ ký hiệu

2.3.1.3 Điều chế sóng mang con

* Điều chế cường độ sóng mang con (Subcarrier Invensity Modulation – SIM)

Trong liên kết quang sử dụng SIM, một tín hiệu sóng mang RF trước khi

điều chế, m(t): nguồn dữ liệu, d(t) được sử dụng để điều chế cường độ P T củanguồn quang Hình 2.10 miêu tả sơ đồ khối của một hệ thống FSO sử dụng SIM

với N sóng mang con, bộ chuyển đổi nối tiếp-song song (serial-to-parallel) phân phối dữ liệu trên N sóng mang Mỗi sóng mang con mang một tỷ lệ ký hiệu (symbol rate), tổng tỷ lệ ký hiệu trên N sóng mang con bằng với tỷ lệ ký hiệu của

nguồn dữ liệu d(t)

Hình 2.9 Sơ đồ khối của hệ thống FSO sử dụng SIM; (a)Phía phát; (b) Phía thu

TIA – trans-impedance; OBPF – Optical band pass filter (bộ lọc quang thông

Trong đó g(t) là xung định hình chức năng, tần số góc sóng mang con và

pha được

biểu diễn bằng Mỗi sóng mang con có thể được điều chế bằng bất

cứ kỹ thuật điều chế RF số/tương tự tiêu chuẩn nào, như QAM, M-PSK, M-FSK

và M-ASK Máy thu sử dụng tách sóng trực tiếp, các bức xạ quang học (P R) được

thu và chuyển đổi thành tín hiệu điện i(t) Tiếp tục được chuyển đến bộ giải điều

chế RF tiêu chuẩn để khôi phục lại ký hiệu (Hình 2.x (b)) Theo cách thông

thường, các vùng thu sẽ tập hợp và biểu diễn cường độ bức xạ thu, I Tín hiệu thu

có thể được mô tả như sau

(2.7)Trong đó: