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

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

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

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI-2016

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học:

Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

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

MỞ ĐẦU

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

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) Về cơ bản, FSO liên quan đến việc truyền tải số liệu/thông tin giữa hai điểm sử dụng bức xạ quang làm tín hiệu sóng mang 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

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 Kênh truyền dẫn trong hệ thống FSO mặt đất là không khí 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 trong môi trường truyền dẫn không khí với sản phẩm thương mại thế hệ thứ năm của công ty LightPointe Communications, Inc

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) Trên thế giới, kỹ thuật điều chế SIM trong FSO đang thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu

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 và Đại học Bách Khoa Hà Nội 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

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

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

Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền thông quang qua không gian

Chương 2: Mô hình kênh hệ thống truyền thông quang qua không gian Chương 3: Đánh giá hiệu năng hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật điều chế

cường độ sóng mang phụ

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN

THÔNG QUANG QUA KHÔNG GIAN 1.1 Sơ đồ khối hệ thống FSO

Hệ thống thông tin liên lạc FSO ngày càng có thể triển khai với nhiều biến thể khác nhau Tuy nhiên, xuyên suốt luận văn này, tác giả 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 Cấu 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 1.1:.Sơ đồ khối hệ thống FSO 1.2 Đặc điểm của FSO

− Băng thông điều chế rộng

− Búp sóng hẹp

− Không yêu cầu cấp phép phổ tần

− Chi phí thấp, giá thành rẻ, triển khai và tái triển khai nhanh chóng

− Phụ thuộc vào thời tiết

− Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ

− Công suất bức xạ quang phải nằm trong giới hạn an toàn quy định

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

1.3 Các ứng dụng của hệ thống FSO

− Truy nhập dặm cuối

− Dự phòng tuyến sợi quang

− Kết nối back - haul trong mạng tế bào

− Các tuyến khắc phục sự cố/tạm thời

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

− Các vùng địa lý khó khăn, đặc biệt

đi xa

Nguồn quang (LED/LASER)

Mạch điều khiển

Bộ điều chế Bản tin

Thu tín hiệu

Lọc tín hiệu quang

Bộ xử lý số liệu

Bộ tách sóng quang

Bản tin được khôi phục

H nh 1.2: 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 1.3: Cấu tạo bộ phát/thu của hệ thống FSO

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

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

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 max

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:

Trong đó  được cho bởi:

và hiện tượng tán xạ (các photon không bị mất năng lượng nhưng hướng truyền ban đầu của chúng bị thay đổi) Điều này dẫn đến suy hao công suất phát và được mô tả bởi định luật Beer-Lambert (BLL):

 

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 thông qua không khí 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 Các luồng xoáy nhiễu loạn nhỏ nhất và lớn nhất được gọi là nhiễu loạn vòng trong l0 với giá trị tương ứng khoảng vài mm, và nhiễu loạn vòng ngoài L0 với giá trị tương ứng khoảng một vài mét

H nh 1.4: Kênh không khí với các luồng xoáy nhiễu loạn

Ảnh hưởng của nhiễu loạn không khí bao gồm :

− Sự lệch tia quang

− Sự nhảy ảnh

− Sự nhấp nháy của búp quang

− Sự suy giảm tính nhất quán trong không gian

CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH KÊNH HỆ THỐNG TRUYỀN

THÔNG QUANG QUA KHÔNG GIAN 2.1 Tổng quan về kênh FSO

Không khí 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 không khí có tính chất ngẫu nhiên, do đó ảnh hưởng của nó có thể được đặc trưng bởi các giá trị thống kê trung bình

Trong một nỗ lực để mô hình hoá các kênh nhiễu loạn không khí, giả thuyết Taylor 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 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 :

e

P n

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 Mô hình chủ yếu được sử dụng cho 2

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 Để giải phương trình cuối cùng này, Tatarski 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 

Do 1 r là Gaussian, do đó, x là biến thiên biên độ log - amplitude phân

bố Gaussian, và tương tự, S là biến thiên pha phân bố Gaussian Bằng cách chỉ tập trung vào biên độ trường , pdf của x là:

2 2

1exp

trong đó E x biểu thị kỳ vọng của x và 2

  

6 0

I  A r , phương sai cường độ log - intensity được cho bởi:

   2

0 2 2

2.3 Giới hạn của mô h nh nhiễu loạn log - normal

Cho đến nay, xấp xỉ Rytov đã được sử dụng để mô tả nhiễu loạn không khí Tuy nhiên xấp xỉ Rytov không thống kê đến hiệu ứng đa tán xạ, dẫn đến khi cường

độ của nhiễu loạn không khí tăng, xuất hiện độ lệch lớn của các thống kê log - normal so với các dữ liệu thực nghiệm

2.4 Mô h nh nhiễu loạn Gamma - gamma

Mô hình này được đề xuất bởi Andrews et al dựa trên quá trình điều chế, trong đó các nhiễu loạn của bức xạ ánh sáng đi qua nhiễu loạn không khí được giả định bao gồm ảnh hưởng của luồng xoáy quy mô nhỏ (tán xạ) và quy mô lớn (khúc

xạ) Để có được sự phân bố bức xạ vô điều kiện, xác suất có điều kiện

x

I p I

 

 

  được tính trung bình trên phân bố thống kê của I x, để thu được hàm phân bố bức xạ gamma - gamma sau đây:

trong đó  và , tương ứng , đại diện cho ảnh hưởng của luồng xoáy quy

mô lớn và quy mô nhỏ của quá trình tán xạ K n  là biến đổi của hàm Bessel loại 2 bậc n, và    đại diện cho hàm gamma Nếu các bức xạ quang tại phía thu được giả định là một sóng phẳng, sau đó hai tham số  và  đặc trưng cho pdf nhiễu loạn bức xạ liên quan đến các điều kiện không khí :

1

2 7

12 65

2 5

12 65

H nh 2.4: Các giá trị α và β dưới các chế độ nhiễu loạn khác nhau : yếu, trung bình,

mạnh và bão hoà

2.5 Mô h nh nhiễu loạn hàm mũ âm

Trong giới hạn của nhiễu loạn bức xạ mạnh ( chế độ bão hoà trở lên), với cự

ly tuyến truyền dẫn kéo dài vài km, số lượng các tán xạ độc lập trở nên nhiều hơn Pdf hàm mũ âm được thể hiện trong hình 2.4

H nh 2.4: Pdf hàm mũ âm với các giá trị khác nhau của I 0

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

PHỤ 3.1 Đặt vấn đề

Có rất nhiều loại sơ đồ điều chế khác nhau thích hợp cho các hệ thống truyền thông quang qua không gian Tuy nhiên, ảnh hưởng của nhiễu loạn không khí gây

ra pha đinh trên các kỹ thuật sau: OOK , PPM và PSK – SIM

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

Trong liên kết SIM quang, một tín hiệu sóng mang phụ RF m t( ), tiền chế với

dữ liệu nguồn d( )t , được sử dụng để điều chế cường độ P T của nguồn một quang - diode laser sóng liên tục

Phương trình tổng quát của m t( )trong hệ thống N-SIM-FSO:

   

1

N i i

số / tương tự RF chuẩn, tín hiệu thu được có thể được điều chế như sau:

nhiễu và khử bất kỳ thành phần biến đổi chậm hiện diện trong tín hiệu thu Đối với một sóng mang phụ ci, tín hiệu thu được là:

0.5

l

  , sự giới hạn này bị mất đi, các điểm của chòm sao bị dịch chuyển nhiều hơn và di chuyển về phía trung tâm

3.2 BER của SIM - FSO trong kênh không khí log - normal

Cho i D t đi qua bộ lọc thông thấp với băng thông 1 / T Phương trình 3.7 rút gọn thành:

0

1exp

trong đó 2 2 

02

T m

A

T

  , từ đó  I  2K/ Phương trình 3.13 khi này có thể biểu diễn theo SNR tại đầu vào bộ giải điều chế như sau:

0

1 exp

2 2

l e

l l

Một phương pháp giải có nghiệm kín của phương trình (3.16) không tồn tại

và phải sử dụng phép lấy tích phân bằng số để dẫn đến cắt bỏ cận trên của nó

  / 2 22 

0

1 exp

 

2 / 2

2 1

m b

I P qR

Băng thông bộ lọc thông dải quang  @ 850 nm 1 nm

Tầm nhìn bộ tách sóng quang photodiode (FOV) 0.6 rad

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

Trong trường hợp này, các ký tự dữ liệu trong đó bao gồm log M2 chữ số nhị phân được ánh xạ lên một trong Mpha có sẵn trên mỗi sóng mang phụ m t  Biểu thức BER có điều kiện thu được như sau:

Biểu thức BER (3.22) cho M-PSK chỉ có thể được đánh giá bằng phương pháp số:

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

Giá trị đỉnh của các tín hiệu hỗn hợp m t , xảy ra khi tất cả các biên độ sóng mang phụ riêng lẻ được tính toán súc tích như sau:

3.2.5 Xác suất mất liên lạc trong các kênh không khí log - normal

Xác suất mất liên lạc là một thước đo khác để định lượng hiệu năng hệ thống thông tin liên lạc trong các kênh pha đinh Công suất dự trữ m cần để đạt được

2 2

1 exp

3.3.1 Xác suất mất liên lạc trong kênh không khí hàm mũ âm

Xác suất mất liên lạc trong chế độ bão hòa được định nghĩa như sau:

I out

Từ phương trình (3.37), công suất dự trữ m cần thiết để đạt được một P out

của chế độ bão hoà (xác định bởi phương trình (3.38)

  1