Đánh giá hiệu năng hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật điều chế cường độ sóng mang phụ

Đánh giá hiệu năng hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật điều chế cường độ sóng mang phụĐánh giá hiệu năng hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật điều chế cường độ sóng mang phụĐánh giá hiệu năng hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật điều chế cường độ sóng mang phụĐánh giá hiệu năng hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật điều chế cường độ sóng mang phụĐánh giá hiệu năng hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật điều chế cường độ sóng mang phụ

NGUYỄN NGỌC TÚ

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO SỬ DỤNG

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ CƯỜNG ĐỘ SÓNG MANG PHỤ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI-2016

-

NGUYỄN NGỌC TÚ

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO SỬ DỤNG

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ CƯỜNG ĐỘ SÓNG MANG PHỤ

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

MÃ SỐ : 60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

PGS.TS ĐẶNG THẾ NGỌC

HÀ NỘI-2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất cứ công trình nào

Học viên:

Nguyễn Ngọc Tú

LỜI CẢM ƠN

Luận văn Thạc sĩ này được thực hiện tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Đặng Thế Ngọc Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy đã định hướng khoa học, liên tục quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian thực hiện luận văn Xin chân thành cảm

ơn các nhà khoa học, tác giả các công trình công bố được trích dẫn trong luận văn

đã cung cấp nguồn tư liệu quý báu, những kiến thức liên quan trong quá trình hoàn thành luận văn

Xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Học viện, Hội đồng bảo vệ luận văn, Khoa Quốc tế và Đào tạo sau đại học đã tạo điều kiện để học viên được thực hiện và hoàn thành nghiên cứu của mình Học viên xin gửi lời tri ân đến các quý thầy cô đã tận tình truyền đạt kiến thức và chỉ bảo trong thời gian học tập tại Học viện

Cuối cùng là sự biết ơn Ba Mẹ, gia đình, những người bạn đã chăm sóc, hỗ trợ, động viên, cảm thông và chia sẻ về các khía cạnh của cuộc sống trong thời gian qua

Hà Nội, tháng 06 năm 2016

Học viên:

Nguyễn Ngọc Tú

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT v

DANH SÁCH BẢNG vii

DANH SÁCH HÌNH VẼ viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG QUA KHÔNG GIAN 6

1.1 Lịch sử 6

1.2 Đặc điểm của FSO 9

1.3 Các ứng dụng của hệ thống FSO 11

1.4 Mô hình hệ thống FSO 12

1.4.1 Bộ phát/thu 14

1.4.2 Kênh truyền 18

1.5 Các thách thức đối với hệ thống FSO 24

1.6 Kết luận chương 1 25

CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG QUA KHÔNG GIAN 26

2.1 Tổng quan về kênh truyền FSO 26

2.2 Mô hình nhiễu loạn Log-normal 29

2.3 Giới hạn của mô hình nhiễu loạn log - normal 33

2.4 Mô hình nhiễu loạn Gamma - gamma 34

2.5 Mô hình nhiễu loạn hàm mũ âm 38

2.6 Kết luận chương 2 39

CHƯƠNG 3 - ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ CƯỜNG ĐỘ SÓNG MANG PHỤ 41

3.1 Đặt vấn đề 41

3.1.1 Kỹ thuật điều chế SIM và mô hình hệ thống SIM - FSO 42

3.1.2 Ảnh hưởng của nhiễu loạn và nhiễu trên chòm sao tín hiệu sóng mang

phụ 45

3.2 BER của hệ thống SIM - FSO với kênh truyền tuân theo mô hình nhiễu loạn không khí log - normal 46

3.2.1 Sóng mang phụ sử dụng điều chế BPSK 46

3.2.2 Sóng mang phụ sử dụng điều chế M - ary PSK 51

3.2.3 Sóng mang phụ sử dụng điều chế DPSK 52

3.2.4 Phân tích hiệu năng của hệ thống sử dụng đa SIM 54

3.2.5 Xác suất mất liên lạc trên kênh truyền tuân theo mô hình nhiễu loạn không khí log - normal 56

3.3 Hiệu năng của hệ thống SIM - FSO với các kênh truyền tuân theo mô hình nhiễu loạn không khí gamma - gamma và hàm mũ âm 58

3.3.1 Xác suất mất liên lạc trong kênh truyền tuân theo mô hình nhiễu loạn không khí hàm mũ âm 60

3.4 Kết luận chương 3 61

KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP 62

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

PHỤ LỤC 69

PHỤ LỤC A 69

PHỤ LỤC B 71

PHỤ LỤC C 79

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

BPF Band pass filter Bộ lọc thông dải

bps Bits per second Số bít trên giây

BPSK Binary phase shift keying Điều chế khóa dịch pha nhị phân CDMA Code division multiple access Đa truy nhập phân chia theo mã

DC Direct current Dòng điện một chiều

DPSK Differential phase shift keying Điều chế dịch pha vi sai

asen – chất bán dẫn

Ge Germanium Nguyên tố germani

H-V Hufnagel-Valley model of index

of refraction structure parameter

Mô hình H – V cho chỉ số tham

số cấu trúc khúc xạ HDTV High-definition television Truyền hình độ nét cao

HFC Hybrid Fiber Coaxial Hệ thống lai ghép cáp sợi quang

- đồng trục IMD Inter-modulation distortion Méo điều biên

ISI Inter symbol interference Nhiễu liên ký tự

LED Light emitting diode Diode phát quang

LOS Line of sight Tầm nhìn thẳng

MLCD Mars laser communication

demonstration

Dự án của NASA về FSO trong không gian vũ trụ

M-ASK M-level amplitude shift keying Điều biên bậc M

M-FSK M-level frequency shift keying Điều tần bậc M

M-PSK M-level phase shift keying Điều pha bâc M

OBPF Optical band pass filter Bộ lọc thông dải quang học Ofcom Office of communications Cơ quan quản lý truyền thông OOK On-off keying Điều chế khóa đóng - mở

OWC Optical Wireless

Communications Truyền thông quang không dây pdf Probability density function Hàm mật độ xác suất

PIN p-type-intrinsic-n-type

photodetector Bộ tách sóng quang photodiode Pout Outage probability Xác suất mất liên lạc

PPM Pulse position modulation Điều chế vị trí xung

QAM Quadrature amplitude

modulation Điều chế biên độ cầu phương QPSK Quadrature phase shift keying Điều chế pha trực giao

RF Radio frequency Sóng cao tần/vô tuyến

RT Receiver telescope Thấu kính thu

RZ Return to zero Xung mã đường truyền định

dạng RZ S.I Scintillation index Chỉ số nhấp nháy

SILEX Semiconductor-laser

inter-satellite link experiment

Thí nghiệm liên kết vệ tinh bằng laser bán dẫn

SIM Subcarrier intensity modulation Điều chế cường độ sóng mang

phụ SNR Signal to noise ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

TIA Trans-impedance amplifier Bộ khuếch đại biến đổi trở

kháng

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1.1: Các nguồn quang 15

Bảng 1.2: Bộ tách sóng FSO 16

Bảng 1.3: Các phần tử khí có trong kênh truyền 19

Bảng 3.1: Giá trị của K 1 và K 0 với các điều kiện giới hạn nhiễu khác nhau 49

Bảng 3.2: Thông số mô phỏng 50

Bảng 3.3: Tham số cường độ pha đinh cho nhiễu loạn không khí 58

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Photophone truyền giọng nói bằng cách phản chiếu ánh sáng 7

Hình 1.2: Hệ thống FSO thông thường 13

Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ thống FSO 13

Hình 1.4: Cấu tạo bộ phát/thu của hệ thống FSO 14

Hình 1.5: Kênh truyền qua không gian với các luồng xoáy nhiễu loạn 23

Hình 2.1: Pdf log - normal với E l =1  với dải phương sai bức xạ log - irradiance 2 l σ =[0,1;0,2;0,5;0,8] 33

Hình 2.2: Pdf gamma - gamma với ba mức độ nhiễu loạn khác nhau, gồm nhiễu loạn yếu, trung bình và mạnh 37

Hình 2.3: S.I dựa vào phương sai cường độ log - intensity 2 2 -15 3 n C =10 m và λ=850 nm 37

Hình 2.4: Các giá trị α và β dưới các chế độ nhiễu loạn khác nhau : yếu, trung bình, mạnh và bão hoà 38

Hình 2.5: Pdf hàm mũ âm với các giá trị khác nhau của I 0 39

Hình 3.1: Sơ đồ khối của SIM - FSO: (a) phía phát và (b) phía thu 43

Hình 3.2: Đặc tuyến đầu ra của một nguồn quang được điều khiển bởi một tín hiệu sóng mang phụ là chỉ số điều chế quang 44

Hình 3.3: BER dựa trên bức xạ nhận được trung bình trong nhiễu loạn yếu dưới những điều kiện giới hạn nhiễu khác nhau với R =155Mbps b và 2 l σ =0,3 51

Hình 3.4: Sơ đồ khối của một tuyến FSO sử dụng DPSK trong điều chế SIM: (a) phía phát và (b) phía thu 53

Hình 3.5: BER dựa trên bức xạ thu được của hệ thống SIM - FSO với các kỹ thuật điều chế đa sóng mang phụ khác nhau trong nhiễu loạn không khí yếu 2 l σ =0,3,λ=850nm và cự ly tuyến truyền dẫn là 1km 54

Hình 3.6: BER dựa trên SNR chuẩn cho hệ thống FSO đa sóng mang phụ trong nhiễu loạn không khí yếu với N= 1,2,5,10  và 2

l

σ =0,1 56Hình 3.7: Xác suất mất liên lạc dựa trên công suất dự trữ trong kênh truyền tuân theo mô hình nhiễu loạn log - normal với 2  

l

σ = 0,1;0,3;0,5;1 58

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, chúng ta đã được chứng kiến nhu cầu ngày càng tăng của người dùng đầu cuối về băng thông trong truyền thông không dây, nhằm

hỗ trợ các dịch vụ băng rộng như: truyền hình độ nét cao (HDTV), gọi video trên điện thoại di động Video call, hội nghị truyền hình, truy cập Internet tốc độ cao, v v Với nhu cầu ngày càng tăng đối với các dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao, sự đòi hỏi băng thông rộng hơn, tốc độ nhanh hơn, cũng như các yêu cầu khác

dự kiến sẽ tăng cao hơn trong thập kỷ tới

Trong mạng truy nhập, một số công nghệ đang được sử dụng để giải quyết nhu cầu truyền dẫn của người dùng đầu cuối bao gồm các công nghệ dựa trên cáp đồng, ghép lai cáp sợi quang - đồng trục (HFC) và cáp sợi quang, các công nghệ không dây băng rộng sóng cao tần (RF)/sóng vi ba Do nhu cầu toàn cầu về băng thông ngày càng tăng, một thực tế cực kỳ rõ ràng rằng cáp đồng/cáp đồng trục và các công nghệ vô tuyến tế bào/sóng vi ba với những hạn chế như giới hạn băng thông, tắc nghẽn phổ, các vấn đề an ninh, giấy phép đắt đỏ và chi phí cao trong việc lắp đặt và khả năng tiếp cận sẽ không thể đáp ứng nhu cầu sắp tới

Truyền thông quang không dây (OWC) là một công nghệ tiên tiến đã được phát triển khoảng ba thập kỷ qua và đang được chú ý nhiều hơn khi nhu cầu về lưu lượng tiếp tục tăng OWC là một trong những công nghệ thay thế hứa hẹn nhất cho các ứng dụng trong nhà và ngoài trời, giải quyết các vấn đề tắc nghẽn nút cổ chai tại

"dặm cuối" trong các thị trường truy cập băng rộng mới nổi [39] Một trong các ứng dụng ngoài trời nổi bật và có tính khả thi cao của OWC là truyền thông quang qua không gian (FSO) FSO sẽ đóng một vai trò quan trọng như là một công nghệ bổ sung cho hệ thống RF trong tương lai, giúp giải quyết bài toán kinh tế tại các khu vực nông thôn có mật độ dân cư thưa thớt, hoặc các khu vực địa lý đặc biệt - gặp khó khăn trong việc lắp đặt cáp quang, triển khai hạ tầng mạng hoặc các khu vực thành phố có mật độ nhà cao tầng cao

Liên kết FSO cố định giữa các toà nhà đã được thiết lập từ lâu và ngày nay tạo thành một phân khúc sản phẩm thương mại riêng biệt trong mạng cục bộ và các mạng đô thị FSO có khả năng truyền dẫn tương đương truyền thông quang có dây tốc độ cao, lên đến hàng Gbps cho dữ liệu, thoại và video đồng thời qua không gian với sản phẩm thương mại thế hệ thứ năm của công ty LightPointe Communications, Inc [42]

Định dạng tín hiệu On - Off Keying (OOK) đã được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống FSO thương mại sẵn có Tuy nhiên, không gian không phải là một kênh truyền thông lý tưởng Nhiễu loạn không khí gây ra hiện tượng kênh pha đinh

sẽ yêu cầu các mạch dò ngưỡng OOK để có hiểu biết về sự biến thiên cường độ tín hiệu sóng mang và mức nhiễu của kênh pha đinh, nhằm đạt hiệu năng cao trong việc tách tín hiệu Thực tế này đã dẫn đến việc nghiên cứu giải pháp điều chế cường

độ sóng mang phụ (SIM) trong truyền thông FSO và kỹ thuật điều chế này đang thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu [21]

SIM là một kỹ thuật được "mượn" từ truyền thông vô tuyến đa sóng mang đã được triển khai rất thành công trong các ứng dụng như truyền hình số, LANs, đường dây thuê bao số bất đối xứng ADSL, công nghệ truyền thông không dây thế hệ thứ

tư 4G [17] Việc nghiên cứu SIM trong FSO là điều cấp thiết vì lý do sau, bao gồm:

- Lợi ích nhận được từ các phần tử truyền thông RF đã được phát triển, chẳng hạn như bộ tạo dao động ổn định và các bộ lọc dải hẹp

- Tránh được sự cần thiết phải sử dụng ngưỡng thích nghi theo yêu cầu của điều chế OOK nhằm tối ưu hiệu năng hệ thống FSO

- Có thể được sử dụng để tăng dung lượng truyền tải số liệu từ các người dùng khác nhau trên các sóng mang phụ khác nhau

- Yêu cầu băng thông tương đối hấp hơn so với điều chế vị trí xung (PPM)

Mặc dù vẫn còn có một số thách thức trong việc thực hiện SIM trong các hệ thống FSO:

- Công suất phát trung bình tương đối cao do một nguồn quang sẽ ON trong suốt quá trình truyền tải của cả hai số nhị phân '1' và '0'; không giống như trong OOK, nguồn quang chỉ ở trạng thái ON trong quá trình truyền các bit '1' Việc tăng số lượng các sóng mang phụ dẫn đến tăng công suất phát trung bình vì giá trị tối thiểu của tín hiệu điện thành phần giảm (trở nên âm) và các yêu cầu điện áp DC tăng Dẫn đến hiệu suất sử dụng năng lượng kém và đặt một ràng buộc về số lượng các sóng mang phụ có thể được cung cấp khi sử dụng đa SIM

- Khả năng méo tín hiệu do tính phi tuyến vốn có của tia laser cắt xén tín hiệu khi qua điều chế

- Yêu cầu đồng bộ hoá nghiêm ngặt ở phía thu

Nhận thấy tính thiết thực của đề tài, học viên xin chọn chủ đề "Đánh giá

hiệu năng hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật điều chế cường độ sóng mang phụ"

làm đề tài luận văn tốt nghiệp thạc sĩ của mình

2 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Về cơ bản, công nghệ FSO liên quan đến việc truyền tải số liệu/thông tin giữa hai điểm sử dụng bức xạ quang làm tín hiệu sóng mang Các số liệu được truyền có thể được điều chế cường độ, pha hoặc tần số của sóng mang quang Một liên kết FSO cơ bản dựa trên kết nối tầm nhìn thẳng (LOS), do đó phải đảm bảo cả máy phát và máy thu trực tiếp nhìn thấy nhau mà không có bất kỳ sự cản trở nào trong đường truyền của chúng Môi trường truyền dẫn trong hệ thống FSO mặt đất là không gian

Có rất nhiều loại khác nhau của sơ đồ điều chế phù hợp cho các hệ thống truyền thông quang qua không gian như OOK, PPM, SIM Trong đó, SIM được phân loại thành điều pha (PSK–SIM), điều tần (FM-SIM) và điều biên (AM-SIM) [38] Trên thế giới, kỹ thuật điều chế SIM trong FSO đang thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu [30]

Tại Việt Nam, trong những năm gần đây, nghiên cứu về FSO đã được thực hiện bởi một số nhóm nghiên cứu thuộc Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông [16]

và Đại học Bách Khoa Hà Nội [35] Tính toán, thiết kế tối ưu truyền thông tin quang không dây ứng dụng trong điều kiện khí hậu Việt Nam cũng đã được thực hiện bởi các tác giả thuộc Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng [1]

3 Mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Mục tiêu của luận văn nhằm phân tích và đánh giá hiệu năng của hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật SIM trong môi trường nhiễu loạn không khí Trong đó, đối tượng nghiên cứu là hệ thống FSO , được xét trong phạm vi gồm hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật SIM và hiệu năng hệ thống

Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn gồm có các công

cụ toán học và giải tích để xây dựng công thức biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu năng hệ thống vào các tham số hệ thống Ngoài ra, học viên cũng sử dụng phần mềm Matlab để khảo sát hiệu năng hệ thống

4 Cấu trúc luận văn

Nội dung của luận văn được trình bày trong ba phần chính như sau:

1) Phần mở đầu

2) Phần nội dung: bao gồm ba chương:

Trong Chương 1 có tiêu đề "Tổng quan về hệ thống truyền thông quang qua không gian", học viên đưa ra một cái nhìn tổng quan về hệ thống truyền thông

quang qua không gian cho các ứng dụng ngoài trời, các thách thức đối với hệ thống FSO

Trong Chương 2 có tiêu đề "Mô hình kênh truyền trong hệ thống truyền thông quang qua không gian", các mô hình mô tả các hàm mật độ xác suất (pdf)

của các biến động bức xạ sẽ được thảo luận cụ thể, gồm ba mô hình : log-normal, gamma-gamma và hàm mũ âm

Trong Chương 3 có tiêu đề "Đánh giá hiệu năng hệ thống FSO sử dụng

kỹ thuật điều chế cường độ sóng mang phụ", học viên sẽ tập trung phân tích hiệu

năng của các hệ thống FSO sử dụng cả sóng mang phụ đơn và đa sóng mang phụ dưới ảnh hưởng của nhiễu loạn không khí, dựa trên phương pháp tách sóng trực tiếp với bộ tách sóng PIN

trong mục "Đề xuất, kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài"

Nội dung chi tiết về các kết quả nghiên cứu đạt được của học viên được trình bày theo khuôn khổ của các chương, mục tiếp theo Học viên nhận thấy nội dung chương 1 và chương 2 có tính tổng quan về lý luận, được thực hiện thông qua việc tập hợp, nghiên cứu tài liệu, tạp chí, cơ sở lý thuyết để phân tích, đánh giá hiệu năng

hệ thống trong chương 3

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN

THÔNG QUANG QUA KHÔNG GIAN

Các nội dung được trình bày trong chương này gồm lịch sử ra đời và phát triển, mô hình hệ thống, các phần tử trong hệ thống (phát-laser, thu- photodetector ), đặc điểm, thách thức, vấn đề an ninh mạng, an toàn laser, ứng dụng của hệ thống FSO

1.1 Lịch sử

Truyền thông FSO hay truyền thông laser là một công nghệ ra đời đã khá lâu, trong đó thông tin được truyền qua không gian từ một điểm này tới một điểm khác nhờ bức xạ quang Khoảng năm 800 trước Công Nguyên, người Hy Lạp cổ và La

Mã đã sử dụng lửa để báo hiệu và vào những năm 150 trước công nguyên, các bộ lạc da đỏ Châu Mỹ sử dụng các cột khói cho cùng một mục đích liên lạc, báo hiệu

và truyền tin Các kỹ thuật truyền tín hiệu thông qua ánh sáng khác như trụ truyền tin thị giác, hay còn gọi là Semaphore đã được các nhà thám hiểm, hàng hải người Pháp sử dụng vào những năm 1790; nhưng những gì có thể được gọi là truyền thông quang đầu tiên là máy truyền giọng nói bằng tia sáng do Alexander Graham Bell cùng các phụ tá của mình phát minh vào năm 1880 tại phòng thí nghiệm Volta ở thủ

đô Washington và đặt tên là photophone [2] Trong thí nghiệm của mình, Bell điều chế các bức xạ mặt trời với tín hiệu thoại và truyền nó qua một khoảng cách khoảng

200 mét Bộ thu gồm một gương parabol phẳng mỏng, ánh sáng mặt trời đã được điều chế đập vào tế bào quang điện selenium được đặt tại tiêu điểm của chiếc gương này để biến đổi thông điệp thành dòng điện Bộ thu máy điện thoại hoàn tất hệ thống này Tuy nhiên, thí nghiệm trên chưa thực sự thành công về mặt thương mại,

do nguồn nhiễu quá lớn từ thiết bị và bức xạ mặt trời làm giảm chất lượng đường truyền

Qúa trình điều chế

Bộ thu Nguồn quang (Mặt trời)

H nh 1.1: Photophone truyền giọng nói bằng cách phản chiếu ánh sáng

Vận mệnh của FSO thay đổi vào những năm 1960 với sự ra đời của các nguồn quang, đặc biệt là laser Một loạt các thí nghiệm FSO gây xôn xao được ghi nhận trong những năm đầu thập niên 1960 đến 1970 Một số trong chúng bao gồm:

cự ly tuyến truyền dẫn ngoạn mục của tín hiệu truyền hình qua khoảng cách 30 dặm (48 km) sử dụng diode phát quang (LED) GaAs bởi các nhà nghiên cứu làm việc tại phòng thí nghiệm MIT Lincoln vào năm 1962 [9]; một cự ly tuyến truyền dẫn kỷ lục 118 dặm (khoảng 190 km) của tín hiệu thoại được điều chế bằng laser He - Ne giữa dãy Panamint và núi San Gabriel, Hoa Kỳ tháng 5 năm 1963 [9]; và truyền hình qua laser đầu tiên vào tháng 3 năm 1963 được thực hiện bởi một nhóm các nhà nghiên cứu làm việc tại hãng North American Aviation [9] Các liên kết laser đầu tiên dùng để xử lý lưu lượng mang tính thương mại gắn liền với Nhật Bản bởi công

ty Nippon Electric Company (NEC) vào khoảng năm 1970 Liên kết này chính là hệ thống FSO được điều chế bằng laser He - Ne truyền song công giữa Yokohama và Tamagawa, với khoảng cách 14 km [9]

Từ thời gian này, FSO đã tiếp tục được nghiên cứu và sử dụng chủ yếu bởi quân đội để thông tin liên lạc bí mật FSO cũng đã được nghiên cứu rất nhiều cho các ứng dụng trong không gian vũ trụ của NASA và ESA với các chương trình như Mars Laser Communication Demonstration (MLCD) và thí nghiệm liên kết vệ tinh

bằng laser bán dẫn (SILEX) tương ứng [14] Mặc dù, FSO trong không gian vũ trụ nằm ngoài phạm vi nội dung luận văn, nhưng nó là một bước tiến đáng kể trong thập kỷ vừa qua, FSO mặt đất với khoảng cách gần đã được chứng minh truyền dẫn thành công trong không gian giữa các vệ tinh với tốc độ dữ liệu lên đến 10Gbps [13] Nhưng những hiểu biết ban đầu về các kỹ thuật cần thiết để xây dựng một hệ thống truyền thông laser sẵn dùng, tính hữu ích và thực tiễn của một hệ thống truyền thông laser gần đây có vấn đề vì nhiều lý do [9] Thứ nhất, hệ thống truyền thông hiện có là đủ để xử lý các yêu cầu về mặt thời gian Thứ hai, số lượng nghiên cứu đáng kể đã được yêu cầu nhằm cải thiện độ tin cậy của các thành phần để đảm bảo hệ thống hoạt động đáng tin cậy Thứ ba, một hệ thống hoạt động trong không gian luôn luôn bị gián đoạn do ảnh hưởng của sương mù dày đặc Thứ tư, việc sử dụng các hệ thống quang trong không gian có thể không xét tới hiệu ứng thời tiết, nhưng yêu cầu trỏ chính xác và phải thường xuyên theo dõi chúng Vì những vấn đề trên, cho đến tận bây giờ, FSO đã từng không được chú ý nhiều trong mạng truy nhập

Với sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị quang điện, FSO hiện đang chứng kiến một sự "tái sinh" Ngoài ra, nhu cầu ngày càng cao hơn về băng thông với các ứng dụng mới nổi ngụ ý rằng thói quen sử dụng một công nghệ truy nhập để kết nối tới người dùng đầu cuối đã lạc hậu Những nguyên do này cùng với những thành công được ghi nhận của FSO trong các ứng dụng quân sự đã dấy lên sự quan tâm muốn "trẻ hoá" các ứng dụng dân sự của nó trong mạng truy nhập Một số thử nghiệm thành công được ghi lại trong vài năm qua tại các nơi trên thế giới đã khuyến khích đầu tư hơn nữa trong lĩnh vực này [8], [32] Về mặt thương mại hoá, FSO hiện nay nổi lên với vai trò như một công nghệ bổ sung cho các hệ thống không dây của sóng vô tuyến và sóng millimet trong việc triển khai dữ liệu, thoại và video đáng tin cậy và nhanh chóng RF và sóng milimet dựa trên các mạng không dây có khả năng cung cấp tốc độ dữ liệu từ hàng chục Mbps (điểm - đa điểm) tới vài trăm Mbps (điểm - điểm) Tuy nhiên, chúng có một số hạn chế do tắc nghẽn phổ, dải tần được cấp phép và nhiễu từ dải tần không được cấp phép, băng thông và dải

tần so với FSO Các liên kết tầm ngắn FSO được sử dụng như là một sự thay thế cho các liên kết RF trong các dặm cuối hoặc dặm đầu để cung cấp băng thông rộng cho gia đình và văn phòng trong mạng truy nhập, cũng như xây dựng một "cây cầu" băng thông cao giữa các mạng diện rộng WAN và mạng cục bộ Hệ thống FSO song công cung cấp 1,25 Gbps giữa hai nút tĩnh đã trở nên phổ biến trên thị trường hiện nay, các hệ thống FSO hoạt động ổn định trong mọi điều kiện thời tiết trong một phạm vi lên đến 3,5 km Năm 2008, hệ thống FSO 10 Gbps đầu tiên đã được giới thiệu trên thị trường , trở thành công nghệ không dây thương mại sẵn có tốc độ cao nhất [18] Các nỗ lực để tiếp tục tăng lưu lượng hơn nữa thông qua các hệ thống truyền thông tích hợp FSO/cáp quang và các hệ thống FSO ghép kênh quang theo bước sóng hiện đang ở giai đoạn thử nghiệm

Những hoài nghi trước đó về sự hiệu quả, tính khả thi của FSO thương mại vào những năm 1980 cũng nhanh chóng mờ dần nhờ vào số lượng các nhà cung cấp dịch vụ, các tổ chức, chính phủ và các cơ sở tư nhân tích hợp FSO vào cơ sở hạ tầng mạng hiện có của họ [32], [15]

FSO mặt đất hiện nay đã được chứng minh là một công nghệ bổ sung hữu hiệu trong việc giải quyết các thách thức truyền thông đương thời, đặc biệt là yêu cầu tốc độ dữ liệu/băng thông cao của người dùng với chi phí phải chăng Thực tế , FSO trong suốt với các loại lưu lượng và các giao thức dữ liệu, khiến nó tích hợp vào mạng truy nhập hiện tại nhanh hơn nhiều Tuy nhiên, các ảnh hưởng lên kênh truyền qua không gian như sương mù dày đặc, khói và nhiễu loạn không khí cũng như mục tiêu đạt 99,999% độ khả dụng vẫn là những thách thức lớn nhất đối với FSO mặt đất tầm xa

1.2 Đặc điểm của FSO

Đặc điểm cơ bản của công nghệ FSO gồm:

Băng thông điều chế rộng - Trong bất kỳ hệ thống thông tin liên lạc nào,

lượng dữ liệu truyền dẫn đều có liên quan trực tiếp đến băng thông của sóng mang điều chế Băng thông dữ liệu cho phép của FSO có thể lên đến 20% tần số sóng mang Sử dụng một sóng mang quang với dải tần số khoảng 1012-1016Hz có thể

cung cấp lên đến 2000 THz băng thông dữ liệu Do đó, truyền thông quang đảm bảo một lưu lượng thông tin tăng so với các hệ thống thông tin liên lạc dựa trên tần số

vô tuyến điện Điều này đơn giản vì trên phổ điện từ, dải tần số sóng mang quang (bao gồm tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy và tia tử ngoại) lớn hơn nhiều lần so với dải tần số vô tuyến Các dải tần số sử dụng trong phạm vi RF tương đối thấp hơn mức 5

10

Búp sóng hẹp - Các bức xạ quang có búp sóng rất hẹp, một tia laser điển

hình có một giới hạn nhiễu xạ nằm trong khoảng 0,01-0,1 mrad Điều này cũng có nghĩa rằng công suất phát chỉ tập trung trong một vùng rất hẹp, do đó cung cấp một liên kết FSO cách ly không gian phù hợp khỏi nhiễu tiềm năng của nó Việc hạn chế không gian chặt chẽ cũng cho phép các tia laser hoạt động gần như độc lập, cung cấp hầu như không giới hạn khả năng tái sử dụng tần số trong nhiều môi trường, ngăn chặn và khiến kẻ tấn công gặp khó khăn trong việc can thiệp vào dữ liệu đang được gửi đi Tuy nhiên, tính chất hẹp của tia cũng yêu cầu một liên kết chặt chẽ hơn

Không yêu cầu cấp phép phổ tần - Do việc hạn chế của phổ RF, nhiễu từ

các sóng mang lân cận là một vấn đề lớn đối với truyền thông vô tuyến không dây

Để giảm thiểu nhiễu, các cơ quan quản lý, chẳng hạn như Uỷ ban truyền thông liên bang (FCC) ở Mỹ và Cơ quan quản lý truyền thông (Ofcom) tại Anh đã đưa ra các quy định nghiêm ngặt Để được phân bổ một đoạn băng tần RF đòi hỏi một khoản chi phí rất lớn và nhiều tháng thủ tục hành chính cồng kềnh, phức tạp Hiện nay, các tần số quang đều miễn phí và không gặp phải các vấn đề trên, do đó chi phí thiết lập ban đầu thấp hơn và thời gian triển khai sẽ được giảm

Giá rẻ - Chi phí để triển khai FSO thấp hơn RF với cùng tốc độ dữ liệu

tương ứng FSO có băng thông truyền dẫn tương đương với cáp quang nhưng với chi phí rẻ hơn, không mất chi phí cho rãnh cáp ngầm và xây lắp hạ tầng Theo fSONA - một công ty về FSO có trụ sở tại Canada thì chi phí cho mỗi Mbps hằng tháng sử dụng FSO chỉ khoảng một nửa so với sử dụng RF [41]

Triển khai và tái triển khai nhanh chóng - Thời gian cần thiết để một

tuyến FSO sẵn sàng đi vào hoạt động tính từ khi bắt đầu lắp đặt là khoảng 4 giờ Yêu cầu then chốt là thiết lập được một tuyến có tầm nhìn thẳng, không bị che chắn giữa máy phát và máy thu Việc tái triển khai đến các vị trí khác khá dễ dàng

Phụ thuộc vào thời tiết - Hiệu năng của hệ thống FSO phụ thuộc vào các

điều kiện môi trường Đây chính là thách thức lớn nhất hiện nay mà FSO gặp phải Tuy nhiên, các tuyến RF hoặc truyền thông vệ tinh cũng gặp phải những thách thức tương tự gây ra bởi mưa, tuyết, sương mù, bão, áp thấp nhiệt đới, sấm chớp, bão từ , gây ra nhiễu tạp âm Nhiễu tạp âm này có thể tăng lên tới mức làm mất tín hiệu đang được truyền dẫn

Ngoài các đặc điểm chính đã nêu ở trên, FSO còn có một số các đặc điểm phụ sau:

- Lợi ích từ truyền thông sợi quang

- Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ

- Công suất bức xạ quang phải nằm trong giới hạn an toàn quy định cho mắt

- Trọng lượng thiết bị thu phát nhẹ và nhỏ gọn, tiêu thụ điện năng thấp

1.3 Các ứng dụng của hệ thống FSO

Các đặc điểm cơ bản của hệ thống FSO được thảo luận ở mục 1.2 đã tạo nên

sự thu hút của nó đối với các ứng dụng khác nhau trong các mạng truy nhập và mạng metro FSO có thể dễ dàng bổ sung cho các công nghệ khác (như truyền thông RF, HFC hoặc các công nghệ khác) trong việc cung cấp băng thông lớn từ hệ thống mạng cáp quang đường trục sẵn có tới người dùng đầu cuối Hệ thống FSO mặt đất phù hợp cho các lĩnh vực sau đây:

Truy nhập dặm cuối - FSO có thể được sử dụng để giải quyết vấn đề nghẽn

nút cổ chai trong mạng truy nhập tồn tại giữa người dùng đầu cuối với hệ thống mạng cáp quang đường trục Cự ly tuyến truyền từ 50m đến vài km với tốc độ dữ liệu được truyền từ 1Mbps đến 10 Gbps [10], [15]

Dự phòng tuyến sợi quang - FSO được sử dụng để làm tuyến dự phòng

trong trường hợp tuyến quang chính không khả dụng hoặc bị hỏng [15]

Kết nối back - haul trong mạng tế bào - Có thể được sử dụng cho các lưu

lượng back - haul giữa các trạm BTS và MSCs trong các mạng thế hệ thứ 3/thứ 4 (3G / 4G), cũng như truyền dẫn các tín hiệu CDMA IS I 95 từ macro và micro - cell tới BTSs [15]

Các tuyến khắc phục sự cố/tạm thời - Một tuyến tạm thời cần thiết cho hội

nghị hoặc kết nối ad - hoc trong trường hợp mạng truyền thông hiện thời xảy ra sự

cố [3]

Mạng truyền thông đa đơn vị trực thuộc (Multi - campus) - FSO được

ứng dụng để kết nối mạng trong các mạng đa đơn vị trực thuộc, giữa các toà nhà trong khuôn viên của một trường đại học, tập đoàn, công ty , và cung cấp liên kết

dự phòng với tốc độ Fast - Ethernet hoặc Gigabit Ethernet

Các vùng địa lý khó khăn, đặc biệt - Ví dụ qua sông, đường hẹp, đường

sắt, khiến gặp khó khăn hoặc chi phí tốn kém trong việc triển khai, lắp đặt hạ tầng mạng cáp quang

Đối với HDTV - Với yêu cầu băng thông lớn của các thiết bị ghi hình và tín

hiệu truyền hình độ nét cao, FSO đang ngày càng được sử dụng trong ngành công nghiệp truyền hình để truyền dẫn các tín hiệu trực tiếp trong các sự kiện từ các thiết

bị ghi hình độ nét cao về các nhà đài [18]

1.4 Mô h nh hệ thống FSO

Hệ thống thông tin liên lạc FSO có thể triển khai với nhiều biến thể khác nhau Tuy nhiên, xuyên suốt luận văn này, học viên chỉ đề cập hệ thống FSO thông thường cho giao tiếp điểm - điểm với hai bộ thu phát tương tự nhau, mỗi máy đặt tại một đầu của liên kết như trong hình 1.2, và gọi tắt là hệ thống FSO Mô hình này cho phép một giao tiếp song công, trong đó thông tin có thể được trao đổi đồng thời giữa hai đầu liên kết trong cả hai hướng thu và phát

H nh 1.2: Hệ thống FSO thông thường

Sơ đồ khối của một tuyến FSO điển hình được thể hiện như trong hình 1.3 Cũng như các công nghệ truyền thông khác, hệ thống FSO gồm ba phần chính: Bộ phát, kênh truyền và bộ thu Chi tiết về các phần trên sẽ được trình bày trong các tiểu mục 1.4.1 và 1.4.2

Nhiễu bức xạ nền

Nhiễu loạn Tán xạ

Bộ xử lý số liệu

Bộ tách sóng quang

Bản tin được khôi phục

H nh 1.3: Sơ đồ khối hệ thống FSO

Ống ngắm Nguồn quang

(laser)

Bộ ghép Lớp kính

thuỷ tinh

Bộ xoá sương giá

Khẩu độ mở

Bộ tách sóng quang

H nh 1.4: Cấu tạo bộ phát/thu của hệ thống FSO

Hình 1.4 là một hình vẽ đơn giản minh hoạ cấu tạo bộ phát/thu của hệ thống FSO đã được minh hoạ ở hình 1.2 Nhiệm vụ chính của phần tử này là điều chế dữ liệu gốc đầu vào lên các sóng mang quang, sau đó truyền chúng qua không gian tới phía thu và ngược lại

Tại phía phát - Tín hiệu điện đi qua bộ xử lý dữ liệu rồi được đưa tới nguồn

quang Phương thức điều chế được sử dụng phổ biến tại phía phát là điều chế cường

độ (IM), trong đó dữ liệu nguồn sẽ được điều chế lên các bức xạ quang Việc này được thực hiện thông qua việc thay đổi trực tiếp cường độ của nguồn quang tại phía phát hoặc thông qua bộ điều chế ngoài như bộ giao thoa kế Mach - Zehnder (MZI) Cuối cùng, bức xạ quang được truyền ra không gian sau khi đi qua thấu kính phát Việc sử dụng một bộ điều chế ngoài nhằm đảm bảo tốc độ dữ liệu đạt được cao hơn

so với bộ điều chế trực tiếp Các thuộc tính khác của trường bức xạ quang như pha,

tần số và trạng thái phân cực cũng có thể được sử dụng để điều chế với dữ liệu/thông tin thông qua việc sử dụng bộ điều chế ngoài

Bảng 1.1: Các nguồn quang Bước sóng

Tuổi thọ cao Tiêu chuẩn an toàn cho mắt thấp hơn Mật độ công suất cao hơn 50 lần (100nW/ 2

cm ) Tương thích với EDFA Tốc độ cao, lên tới 40Gbps

Độ dốc hiệu quả 0,03 – 0,2 W/A Công suất: 28 mW và có thể đạt đến 1

- 2 W khi kết hợp với Bộ khuếch đại sợi quang pha Erbium

~10000 Thác lượng tử

Đắt tiền và tương đối mới Rất nhanh và độ nhạy cao Truyền dẫn trong sương mù tốt hơn [7]

Thành phần chế tạo không có sẵn Không thâm nhập qua thuỷ tinh Công suất lên đến 100 mW

Gần hồng

Chi phí thấp Mạch điều khiển đơn giản Công suất < 10 mW Tốc độ dữ liệu < 200 Mbps

Không nhất quán Mật độ công suất thấp nên an toàn [5]

Tại phía thu - Đầu tiên, thấu kính thu thu thập và tập trung bức xạ quang

đầu vào trên bộ tách sóng quang Khẩu độ mở của ống kính càng lớn thì sẽ tập hợp được nhiều bức xạ quang vào bộ tách sóng quang Bộ lọc thông dải làm giảm lượng bức xạ nền Các bộ tách sóng quang PIN hoặc APD chuyển đổi trường quang đến thành tín hiệu điện Cuối cùng, mạch xử lý dữ liệu có chức năng khuếch đại, lọc và

xử lý tín hiệu để đảm bảo tính chính xác cao của dữ liệu được khôi phục

Các nguồn quang thường được dùng trong các hệ thống truyền thông quang hiện nay được tóm tắt trong bảng 1.1 Còn các bộ tách sóng quang được tóm tắt

trong bảng 1.2 Trong dải bước sóng 700 - 10000 nm có một số cửa sổ truyền hầu như trong suốt với suy hao < 0,2 dB/km Các hệ thống FSO chủ yếu được thiết kế

để hoạt động trong dải 780 - 850 nm và 1520 - 1600 nm Dải 780 - 850 nm hầu như được sử dụng phổ biến vì thiết bị và thành phần trong dải bước sóng này có sẵn và chi phí thấp [15] Tuy nhiên, dải 1550 nm cũng được quan tâm vì một số lý do:

- Khả năng tương thích với các mạng ghép kênh phân chia theo bước sóng cửa sổ truyền dẫn thứ ba

Các bộ tách sóng tốc độ cao thường có kích thước nhỏ (70m và 30m

tương ứng với tốc độ bit 2,5 Gbps và 10 Gbps) , cùng với việc hạn chế tầm nhìn (Field of View - FOV), đòi hỏi sự định tuyến chính xác FOV của bộ thu là tỉ số của kích thước bộ tách sóng và chiều dài tiêu cự:

f là độ dài hiệu dụng của tiêu cự

Dlà khẩu độ mở của bộ thu

#

F là chỉ số của f

Đối với bộ tách sóng có kích thước 75m, F# = 1 và D = 150 nm, FOV =

~ 0,5 mrad

Quá trình tách sóng quang ở bộ thu có thể được phân loại thành bộ thu tách sóng trực tiếp và bộ thu tách sóng nhất quán

Trong đó, bộ thu tách sóng quang trực tiếp có cấu trúc khá đơn giản, thường được sử dụng trong các hệ thống quang điều chế cường độ Bộ thu này phát hiện cường độ tức thời hoặc công suất bức xạ quang đến bộ tách sóng Do đó, tín hiệu điện đầu ra của bộ tách sóng tỉ lệ với công suất của trường quang tới

Bộ thu tách sóng quang nhất quán giúp khuếch đại tương đối dễ dàng tại tần

số trung tần và cải thiện đáng kể tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) bằng cách tăng công suất bộ dao động nội Bộ thu này làm việc dựa trên hiện tượng trộn sóng quang Trường quang tới được kết hợp với trường quang được tạo ra tại bộ dao động nội của bộ thu Quá trình trộn sóng quang được thực hiện trên bề mặt của bộ tách sóng quang Đầu ra của bộ thu này không yêu cầu phải cùng pha với sóng quang tới

1.4.2 Kênh truyền

Kênh truyền dẫn quang khác so với kênh tạp âm Gauss thông thường , tín hiệu đầu vào của kênh,x(t) thể hiện công suất thay vì biên độ Điều này dẫn đến hai điều kiện ràng buộc của tín hiệu truyền:

- x(t) phải không âm

- Giá trị trung bình của x(t) không được vượt quá một giá trị quy định

Trái ngược với các kênh thông thường có SNR tỉ lệ với công suất, trong các

hệ thống quang thì công suất điện thu được tương ứng với phương sai của tạp âm nổ theo tỉ lệ là 2

d

A và A d Trong đó A d là diện tích vùng tách sóng quang phía thu Do

đó, trong hệ thống quang hạn chế tạp âm nổ, SNR tỉ lệ với A d Điều này có nghĩa là với một công suất phát đã biết, có thể đạt được SNR cao hơn bằng việc sử dụng bộ

tách sóng có A d lớn Tuy nhiên,A d tăng khiến điện dung của bộ tách sóng cũng tăng theo, dẫn đến giới hạn về băng thông thu được.

Môi trường truyền dẫn của kênh truyền bao gồm các phần tử khí, được liệt

kê trong bảng 1.3 và hơi nước Hơi nước là hệ thống vật chất rời rạc gồm các hạt rắn và thể lỏng ở dạng lơ lửng Hơi nước được tạo thành từ các hạt rất nhỏ có hình dạng khác nhau, từ hình cầu đến các hình dạng lơ lửng không theo quy luật trong không gian Ngoài ra, trong kênh truyền còn bao gồm mưa, sương mù và các dạng khác của hơi nước Lượng hơi nước có trong kênh truyền phụ thuộc vào vị trí (kinh

độ, vĩ độ) và theo từng mùa Vùng tập trung hơi nước lớn nhất ở gần bề mặt trái đất

Carbon monoxide (CO) 0,2

Sương mù là hiện tượng hơi nước trong không gian ngưng kết lại thành những hạt nước rất nhỏ (đường kính vài trăm micro mét) lơ lửng trong không gian

và làm giảm tầm nhìn (thông thường giảm xuống chỉ còn 1 km) Có thể coi sương

mù là nguyên nhân chính của hiện tượng tán xạ và nó góp phần vào sự suy giảm công suất quang, gây ra thay đổi đặc tính truyền lan của tia quang hoặc ngăn cản hoàn toàn khi kết hợp với các hiện tượng hấp thụ, phản xạ Tuỳ theo điều kiện hình thành của từng loại sương mù mà người ta chia sương mù thành một số loại sau:

và 0,1 3

/

g m Nó ảnh hưởng đến các bước sóng ngắn (cửa sổ truyền dẫn đầu tiên và

thứ hai) và hầu như các cửa sổ truyền dẫn 10m Tầm nhìn ngang phổ biến của loại sương mù này là 500 m

Sương mù bình lưu được hình thành bởi sự di chuyển của khối không khí ẩm ướt và ấm áp trên bề mặt biển, hoặc trên mặt đất lạnh Nó được đặc trưng bởi hàm lượng nước lỏng cao hơn 0,20 3

/

g m và đường kính hạt xấp xỉ 20m Tầm nhìn ngang thông thường của sương mù bình lưu vào khoảng 200 m

Bất kỳ tầm nhìn nào được đặt trong phạm vi 0,1 km là hợp lý đối với hai loại sương mù trên [22] Sự suy hao do tán xạ Mie (chủ yếu là sương mù) gây ra trong

hệ thống FSO có thể được nghiên cứu bằng cách sử dụng cả hai phương pháp tiếp cận lý thuyết và thực nghiệm) Mô hình thực nghiệm phổ biến cho tán xạ Mie được cho bởi:

 

( , L) R exp

T T

P

L P

Trong đó  T   và  ( , L)tương ứng là hệ số suy hao tổng  1

m và hệ số truyền tại bước sóng  P T là công suất phát và P R là công suất thu sau khoảng cách truyền L

Định luật BLL mô tả sự truyền dẫn của một trường quang qua không gian là hàm của khoảng cách truyền Suy hao do hấp thụ không khí có thể được giảm thiểu bằng cách áp dụng các bước sóng nằm trong những "cửa sổ truyền dẫn" có suy hao thấp trong dải ánh sáng có thể nhìn thấy hoặc hồng ngoại

Ngoài các yếu tố trên, kênh truyền FSO còn chịu ảnh hưởng mạnh bởi nhiễu loạn không khí Khi bức xạ mặt trời chiếu xuống trái đất, một số bức xạ bị hấp thụ bởi bề mặt trái đất, do đó làm tăng nhiệt độ của lớp không khí xung quanh bề mặt trái đất, gây ra sự chênh lệch nhiệt độ đối với lớp không khí lạnh kề trên Khi đó, lớp không khí nóng này loãng ra và bay lên, kết hợp một cách hỗn loạn với lớp không khí lạnh kề trên khiến nhiệt độ không khí tăng giảm ngẫu nhiên tại từng vị trí Sự không đồng nhất này có thể được xem như các túi khí rời rạc, hoặc luồng xoáy với nhiệt độ khác nhau, hoạt động như thấu kính khúc xạ với kích thước và chỉ

số khúc xạ khác nhau Nhiễu loạn không khí phụ thuộc vào:

- Độ cao/áp suất của không khí

Không gian

H nh 1.5: Kênh truyền qua không gian với các luồng xoáy nhiễu loạn

Sự tương tác giữa các tia laser và các nhiễu loạn trên tạo ra sự nhấp nháy (có biên độ và pha ngẫu nhiên) của bức xạ quang mang thông tin Kết hợp với ảnh hưởng do hiện tượng hấp thụ và tán xạ, dẫn đến hiện tượng pha đinh của công suất quang tại phía thu, do đó dẫn đến suy giảm hiệu năng hệ thống

Ảnh hưởng của nhiễu loạn không khí bao gồm:

- Sự lệch tia quang: góc lệch của tia quang so với tầm nhìn thẳng ban đầu khiến bộ thu không thu được tín hiệu

- Sự nhảy ảnh: sự thay đổi của búp quang thu trên mặt phẳng ảnh do sự thay đổi góc tới

- Sự nhấp nháy của búp quang: sự thay đổi công suất đơn vị trong không gian tại mặt phẳng thu gây ra bởi ảnh hưởng của nhiễu loạn vòng trong do các luồng xoáy nhỏ có trong búp quang

- Sự suy giảm tính nhất quán trong không gian: Nhiễu loạn không khí cũng gây ra sự suy giảm về tính nhất quán (kết hợp) pha của búp quang Điều này

đặc biệt ảnh hưởng mạnh tới các bộ thu làm việc dựa trên nguyên lý trộn photon -

bộ tách sóng thu nhất quán [10]

- Sự biến động phân cực - kết quả từ sự thay đổi trạng thái phân cực của búp quang thu được sau khi đi qua nhiễu loạn không khí trung bình Tuy nhiên, lượng biến động phân cực này không đáng kể [33]

1.5 Các thách thức đối với hệ thống FSO

Giới hạn cơ bản của FSO do môi trường truyền dẫn gây ra [14] Mục 1.6 trình bày những thách thức trong việc thiết kế các hệ thống FSO, bao gồm:

Sự trôi búp - Xảy ra khi có luồng xoáy vòng ngoài 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 [40]

Giữ thẳng hướng phát - thu khi toà nhà dao 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 giãn nhiệt của các thành phần khung toà nhà hoặc những trận động đất yếu có thể gây ra sự lệch hướng Trong khi độ giãn nở 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 toà nhà cao Sự dao động của toà nhà là một quá trình ngẫu nhiên làm ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống và gây ra lỗi [40]

An toàn cho mắt - Với sự gia tăng của các hệ thống truyền thông quang qua

không gian sử dụng các búp laser trong các vùng dân cư mật độ cao, sự an toàn cho mắt là vấn đề đáng được quan tâm Rủi ro tiềm tàng cho mắt phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng laser, cường độ tia, khoảng cách đến laser, và công suất laser (cả công suất trung bình trong một khoảng thời gian dài và công suất cực đại tạo ra trong một xung) Bước sóng của ánh sáng laser là yếu tố quan trọng, vì chỉ có ánh sáng nằm trong vùng bước sóng từ gần 400 đến 1400nm mới có thể thâm nhập vào mắt hiệu quả để phá huỷ võng mạc Ánh sáng tử ngoại gần có bước sóng nhất định

có thể làm phá huỷ các lớp bề mặt phía sau mắt, và có thể góp phần làm đục thuỷ tinh thể, nhất là ở những người trẻ tuổi, những người có mô mắt có độ trong suốt cao trong vùng bước sóng này Ánh sáng hồng ngoại gần cũng có thể gây ra sự phá huỷ bề mặt, mặc dù không gây nghiêm trọng như ánh sáng tử ngoại Các hệ thống FSO chủ yếu được thiết kế để hoạt động trong dải 780 - 850 nm và 1520 - 1600 nm Dải 780 - 850 nm hầu như được sử dụng phổ biến vì thiết bị và thành phần trong dải bước sóng này có sẵn và chi phí thấp [15] Tuy nhiên, với việc sử dụng thiết bị hoạt động dải 1550 nm, trong giới hạn công suất phát cho phép và thiết kế bố trí hệ thống hợp lý thì hệ thống FSO hoàn toàn đáp về các yêu cầu và đảm bảo an toàn

đã được thảo luận Với nhu cầu của người dùng đầu cuối về băng thông, tốc độ dữ liệu ngày càng tăng đòi hỏi phải có các giải pháp truyền dẫn tốc độ cao, chi phí hiệu quả, triển khai nhanh chóng, truyền dẫn thông tin một cách an toàn và tin cậy FSO

có thể đáp ứng các yêu cầu này và sẽ được sử dụng ngày càng phổ biến trong tương lai

CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG QUA KHÔNG GIAN

Trong chương này, các hàm mật độ xác suất của các biến động bức xạ sẽ được mô tả Với sự phức tạp của các mô hình toán học do nhiễu loạn không khí, một mô hình chung cho tất cả nhiễu loạn là không thể Thay vào đó, chương sẽ xem xét ba mô hình nhiễu loạn không khí gồm: log-normal, gamma-gamma và hàm mũ

âm

2.1 Tổng quan về kênh truyền FSO

Không gian là một môi trường rất phức tạp, gây ảnh hưởng tới đặc tính của tia laser, do đó dẫn đến suy hao quang và sự nhiễu loạn - gây ra sự thăng giáng cường độ và pha của tín hiệu thu Các đặc tính của các kênh truyền có tính chất ngẫu nhiên, do đó ảnh hưởng của nó có thể được đặc trưng bởi các giá trị thống kê trung bình Bản chất môi trường nhiễu loạn vô cùng khó khăn để mô tả toán học, chủ yếu do sự hiện diện của phi tuyến kết hợp với số lượng quan sát được là nền tảng của quá trình xử lý, để thu được phương trình của các thuộc tính thống kê, cụ thể là pdf và phương sai của một tia quang truyền dẫn qua nhiễu loạn không khí, một số giả định đơn giản nhưng hợp lệ sẽ được sử dụng để đơn giản hoá các phép toán đến mức độ cho phép [10]:

1 Bầu khí quyển (không gian) là một kênh truyền sóng không bị ảnh hưởng bởi tán xạ Điều giả định này có thể được giải thích rằng, trong trường hợp sóng truyền dẫn hoặc bức xạ bị hấp thụ bởi không khí, tạo

ra nhiệt lượng đáng kể so với sự đóng góp hằng ngày

2 Quá trình tán xạ bởi các luồng xoáy nhiễu loạn không dẫn đến sự suy hao năng lượng của tia quang Do đó, năng lượng trung bình với sự hiện diện của nhiễu loạn được giả định bằng với năng lượng trung bình trong trường hợp không có nhiễu loạn Giả định này hợp lệ cho sóng phẳng và sóng cầu Sóng phẳng được áp dụng chung cho các tia laser truyền trên một khoảng cách lớn [10]

Trong một nỗ lực để mô hình hoá các kênh nhiễu loạn không khí, giả thuyết Taylor [33] được chấp nhận rộng rãi, theo đó thì sự biến đổi về thời gian trong các thuộc tính thống kê của sự nhiễu loạn không khí là nguyên nhân gây ra sự chuyển động của khối không khí Ngoài ra, luồng xoáy nhiễu loạn là cố định, nó chỉ dịch chuyển khi hướng gió di chuyển vuông góc với hướng của sóng lan truyền Thời gian nhất quán 0 của sự nhiễu loạn không khí được tính theo ms [10] Giá trị này

là rất lớn so với khoảng thời gian ký hiệu dữ liệu Vì vậy, các kênh nhiễu loạn không khí có thể được mô tả như là một "kênh pha đinh chậm" do nó tĩnh trên một khoảng thời gian ký tự dữ liệu

Mối quan hệ giữa nhiệt độ không khí và chỉ số khúc xạ n được đưa ra bởi [33]:

1 77, 6 1 7,52 10 10

e

P n

2 2.25

Trong đó, 2

n

C là chỉ số tham số cấu trúc khúc xạ (đặc trưng cho cường độ của chỉ số khúc xạ thay đổi theo môi trường) được đề xuất bởi Kolmogorov[4] Mô hình chủ yếu được sử dụng cho 2

  Nhìn chung, tham số cấu trúc

được giả thiết là hằng số đối với các tuyến truyền ngang và thay đổi từ

Trong miền quang phổ, mật độ phổ công suất của sự biến thiên chỉ số khúc

xạ liên quan tới 2

Với một phạm vi K rộng lớn hơn, phương trình trên đã được sửa đổi bở Tatarski và Von Karman trong [3], [24], [37]

2.2 Mô h nh nhiễu loạn Log-normal

Để mô tả pdf của các biến động bức xạ trong nhiễu loạn không khí, các búp quang ban đầu được đại diện bởi thành phần điện trường của nó E Bằng cách sử dụng phương trình điện từ Maxwell với trường hợp chất điện môi biến thiên không gian như không khí, các phương trình sau đây được chuyển hoá từ [10]:

      với i,j và k là các vector đơn vị theo trục x,y và z

tương ứng Số hạng cuối cùng ở phía bên tay trái của phương trình 2.8 đại diện quá trình nhiễu loạn không khí gồm phân cực của sóng Trong mô hình nhiễu loạn không khí yếu, được đặc trưng bởi sự tán xạ đơn lẻ, phân cực sóng là không đáng kể [33] Trong thực tế, nó đã được chứng minh về mặt lý thuyết [25] và cả thực nghiệm [12] rằng quá trình phân cực là không đáng kể ngay cả với điều kiện nhiễu loạn mạnh Phương trình 2.8 do đó được rút gọn thành:

2 2 2

0

E k n E

Vector vị trí từ nay về sau sẽ được ký hiệu là r và E r  đại diện cho E

Để giải phương trình cuối cùng này, Tatarski [37] trong cách tiếp cận của ông đã giới thiệu một biến số phức Gaussian  r được định nghĩa là logarit tự nhiên của phương truyềnE r , và được gọi là phép biến đổi Rytov Đó là:

 r ln E r 

Phương pháp Rytov cũng dựa trên một giả định cơ bản rằng nhiễu loạn yếu

và nó được đặc trưng bởi quá trình tán xạ đơn lẻ Bằng cách dẫn ra phép biến đổi