Đánh giá hiệu năng hệ thống truyền thông không dây lai ghép RF FSO

Trong mạng truy nhập, một số công nghệ đã và 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, lai ghép cáp sợi quang –

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

BÙI QUỐC VƯƠNG

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY LAI GHÉP RF/ FSO

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

Vào lúc: 9 giờ 45 ngày 11 tháng 03 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

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

MỞ ĐẦU

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), dịch vụ VideoCall, truy cập internet tốc độ cao, hội nghị truyền hình trực tuyến vv… Để đáp ứng các nhu cầu này, đòi hỏi băng thông truyền dẫn rộng hơn, tốc độ nhanh hơn

Trong mạng truy nhập, một số công nghệ đã và 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, lai ghép cáp sợi quang – cáp đồng trục (HFC), cáp quang tới tận nhà, các công nghệ không dây băng rộng sóng cao tần RF Trong tương lai gần, một thực tế cực kỳ rõ ràng là các công nghệ cao tần RF với những hạn chế như giới hạn băng thông, khan hiếm phổ tần số, các vấn đề an ninh, giấy phép và chi phí cao trong việc lắp đặt và khả năng tiếp cận, không thể đáp ứng nhu cầu sắp tới

Gần đây, công nghệ truyền dẫn quang không dây (FSO) đã ra đời và được xem như giải pháp hiệu quả, thay thế và bổ sung cho công nghệ truyền thông không dây sóng cao tần (RF) Với những ưu điểm vượt trội như tốc độ cao, chi phí thấp, không yêu cầu cấp phép tần

số, triển khai nhanh và linh hoạt Hệ thống này hiện nay có thể truyền tải một lượng lớn dữ liệu lên đến 10 Gb/s Tuy nhiên, công nghệ FSO cũng gặp phải một số hạn chế nhất định như bị ảnh hưởng mạnh bởi tạp âm, nhiễu loạn không khí và điều kiện thời tiết xấu như gió, sương mù, khói, tuyết …

Để tận dụng các ưu điểm và khắc phục các hạn chế của cả hai công nghệ RF và FSO,

hệ thống truyền thông lai ghép RF/FSO đã được đề xuất Đây được xem như một giải pháp linh hoạt và hiệu quả cho các kết nối trong mạng truy nhập và backhaul trong tương lai

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG

QUANG KHÔNG DÂY FSO Giới thiệu hệ thống FSO

1.1

Khác các hệ thống không dây thông thường, FSO là một công nghệ truyền quang qua không gian tự do Ưu điểm của hệ thống này khi sử dụng là không yêu cầu phải đăng ký phổ hay phối hợp tần số với những nhà khai thác khác, đồng thời nhiễu giữa các thiết bị được hạn chế Một ưu điểm nữa đó là tín hiệu laser điểm – điểm rất khó để can thiệp, vì thế tính bảo mật cao Tốc độ dữ liệu có thể so sánh với truyền dẫn qua sợi quang và tỉ lệ lỗi thấp Ngoài ra việc sử dụng những chùm laser có độ rộng phổ hẹp đảm bảo cho khả năng lắp đặt nhiều các bộ thu, phát ở cùng một địa điểm

Hiện nay các nhà cung cấp dịch vụ không ngừng đưa ra các ứng dụng nên nhu cầu về dịch vụ băng thông rộng ở trong các mạng đô thị là rất lớn Tuy nhiên, sự chênh lệch về tốc

độ truyền dẫn giữa mạng lõi và mạng truy nhập đã tạo ra một sự mất cân bằng Sự mất cân bằng này thường được gọi là “nghẽn cổ chai” Hiện tượng “nghẽn cổ chai” xuất hiện ở khắp nơi trong các mạng đô thị hiện nay

Hình 1.1:Hiện tượng nghẽn cổ chai trong mạng Một lựa chọn khác đó là công nghệ không dây sử dụng tần số vô tuyến RF (Radio Frequency) Công nghệ này cho phép truyền đi trong khoảng cách xa hơn FSO, nhưng các mạng dựa trên RF yêu cầu sự đầu tư lớn khi phải đăng ký dải phổ Hơn nữa, các công nghệ

RF gặp phải khó khăn khi muốn mở rộng lên dung lượng cao Khi so sánh với FSO, RF không đảm bảo hiệu quả kinh tế cho các nhà cung cấp dịch vụ đang trông đợi vào sự mở rộng dung lượng của các mạng quang

Lựa chọn thứ ba đó là công nghệ dựa trên dây cáp đồng (như Ethernet, T1s hay

DSL) Mặc dù hạ tầng cáp đồng có mặt ở khắp nơi và số các tòa nhà sử dụng cáp đồng là cao hơn sợi quang nhưng đây vẫn không phải là một giải pháp thỏa đáng trong việc giải quyết hiện tượng nghẽn cổ chai do trở ngại lớn nhất chính là độ rộng băng thông Công nghệ cáp đồng có thể giải quyết một số vấn đề ngắn hạn, nhưng hạn chế về băng thông chỉ ở mức 2Mbit – 3Mbit/s khiến cho công nghệ này chỉ là một giải pháp tạm thời

Giải pháp thứ tư và thích hợp nhất chính là FSO Công nghệ này là một giải pháp tối

ưu nhờ những ưu điểm của công nghệ quang như độ rộng băng thông, tốc độ triển khai (vài giờ so với vài tuần hoặc vài tháng), độ mềm dẻo (có thể tái triển khai và chuyển dịch), hiệu quả kinh tế cao (trung bình chi phí lắp đặt chỉ bằng 1/5 so với lắp đặt cáp quang)

Môi trường truyền dẫn của hệ thống FSO là không gian tự do, phụ thuôc vào phạm vi truyền dẫn mà hệ thống FSO được phân loại thành 2 loại chính như sau: FSO trong nhà (Indoor FSO) và FSO ngoài trời (Outdoor FSO)

Đối với FSO trong nhà thì môi trường truyền dẫn chính là khoảng không ở trong các tòa nhà Đây là môi trường khá ổn định, không chịu nhiều biến đổi, chi phối của khí hậu bên ngoài

FSO ngoài trời thì ngược lại Môi trường truyền dẫn của loại này chính là bầu khí quyển Là môi trường có tính ổn định kém do chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ các yếu tố môi trường như sương mù, mưa và nhiễu từ ánh sáng bên ngoài …

Các lợi thế và thách thức của hệ thống FSO

1.1.1

 Các lợi thế của FSO

- Không yêu cầu giấy phép phổ tần vô tuyến

- Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ

- Dễ dàng triển khai lắp đặt

- Khả năng bảo mật cao

 Các thách thức đối với hệ thống FSO

Giới hạn cơ bản của FSO do môi trường truyền dẫn gây ra Ngoài việc tuyết và mưa

có thế làm cản trở đường truyền quang, FSO chịu ảnh hưởng mạnh bởi sương mù và sự nhiễu loạn của không khí Những thách thức chính trong việc thiết kế các hệ thông FSO:

Mô hình hệ thống FSO

1.2

Hệ thống FSO gồm ba phần: bộ phát, kênh truyền và bộ thu

Hình 1.2:Mô hình hệ thống FSO

Bộ phát

1.2.1

Dữ liệu đầu vào phía nguồn được truyền tới một đích ở xa Phía nguồn có cơ chế điều chế sóng mang quang riêng, chẳng hạn như điều chế laser, tín hiệu quang sau đó sẽ được truyền đi qua kênh khí quyển Các tham số của hệ thống phát quang là kích cỡ, công suất và chất lượng búp sóng, các tham số này xác định cường độ laser và góc phân kỳ nhỏ nhất có thể đạt được từ hệ thống Phương thức điều chế được sử dụng rộng rãi tại bộ phát là điều chế cường độ (IM), trong đó cường độ phát xạ của nguồn quang sẽ được điều chế bởi

số liệu cần truyền đi Việc điều chế được thực hiện thông qua việc thay đổi trực tiếp cường

độ của nguồn quang tại bộ phát hoặc thông qua bộ điều chế ngoài như bộ giao thoa MZI 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 cùng với dữ liệu/thông tin thông qua việc sử dụng bộ điều chế ngoài

Nguyên lý cấu tạo chung của một bộ phát laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang Trong đó buồng cộng hưởng với hoạt chất laser là bộ phận chủ yếu Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, đó là một chất đặc biệt có khả năng khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra tia laser Khi một photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là một photon khác bay ra theo cùng hướng với photon tới Mặt khác buồng cộng hưởng có 2 mặt chắn ở hai đầu, một phản xạ hoàn toàn các photon khi bay tới, mặt kia cho một phần photon qua một phần phản xạ lại làm cho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn Vì thế cường độ chùm laser được khuếch đại lên nhiều lần

Hình 1.3:Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Laser

Ngoài ra, việc tạo tín hiệu phát cũng được thực hiện bởi các loại nguồn khác nhau được mô tả trong bảng 1.2

Bộ thu

1.2.2

Bộ thu hỗ trợ việc khôi phục các dữ liệu đã được phát đi từ phía phát Bộ thu bao gồm các thành phần sau:

Khẩu độ thu – Tập hợp và tập trung các phát xạ quang tới bộ tách sóng quang Khẩu

độ (độ mở) của bộ thu lớn sẽ giúp tập hợp được nhiều phát xạ quang vào bộ tách sóng quang

Bộ lọc thông dải quang – Bộ lọc thông dải làm giảm lượng bức xạ nền

Bộ tách sóng quang – PIN hoặc APD chuyển đổi trường quang đến thành tín hiệu điện Các bộ tách sóng quang thường được dùng trong các hệ thống truyền thông quang hiện nay được tóm tắt trong bảng 1.3

Mạch xử lý tín hiệu – Có chức năng khuếch đại, lọc và xử lý tín hiệu để đảm bảo tính chính xác cao của dữ liệu được khôi phục

Có hai loại bộ thu quang cơ bản: bộ thu không kết hợp và bộ thu kết hợp Bộ thu không kết hợp tách trực tiếp công suất tức thời của trường quang tập trung khi chúng tới bộ thu, do đó thường được gọi là bộ thu tách trực tiếp hoặc tách công suất Loại bộ thu này là loại đơn giản nhất trong việc thực hiện và có thể được sử dụng bất cứ khi nào thông tin truyền đi xuất hiện sự biến đổi công suất (ví dụ IM) của trường quang Đối với bộ thu kết hợp, hay còn gọi là bộ thu heterodyne, trộn lẫn trường sóng ánh sáng cục bộ phát ra với trường ánh sáng thu được, và sóng kết hợp này sẽ được tách photon Loại bộ thu này thường được sử dụng khi thông tin được điều chế dựa trên sóng mang quang sử dụng điều biên (AM), điều tần (FM) hoặc điều pha (PM), và là cần thiết cho tách sóng FM hoặc PM

Quá trình tách của các trường quang bị tác động bởi nhiều loại nguồn nhiễu khác nhau xuất hiện tại bộ thu Ba loại nguồn nhiễu chủ yếu trong truyền thông FSO là: ánh sáng nền xung quanh, bộ tách photon gây ra nhiễu, và nhiễu nhiệt trong mạch điện tử

Các yếu tố ảnh hưởng lên hiệu năng của hệ thống FSO

CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY Suy hao trong hệ thống RF và FSO

 Mô hình kênh fading Reyleigh

Trong những kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thường được dùng để mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phẳng thu được hoặc đường bao của một thành phần đa đường riêng lẻ Chúng ta biết rằng đường bao của tổng hai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao tuân theo phân bố Rayleigh Phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất:

phương) Giá trị median của r tìm được khi giải phương trình:

 Mô hình kênh fading Ricean

Trong trường hợp fading Rayleigh, không có thành phần tín hiệu đến trực tiếp bộ thu

mà không bị phản xạ hay tán xạ (thành phần light-of-sight) với công suất vượt trội Khi có thành phần này, phân bố sẽ là Ricean Trong trường hợp này, các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến bộ thu với những góc khác nhau được xếp chồng lên tín hiệu light-of-sight

Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean:

2 2 0

A: Biên độ đỉnh của thành phần light-of-sight

Io: Là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0

Phân bố Ricean thường được mô tả bởi thông số k được định nghĩa như là tỉ số giữa công suất tín hiệu xác định (thành phần light-of-sight) và công suất các thành phần đa đường:

2 22

A k



Hay viết dưới dạngdB:

2 2

k xác định phân bố Ricean và được gọi là hệ số Ricean

Khi A → 0, k 0 (dB) thành phần light-of-sight bị suy giảm về biên độ, phân bố Ricean trở thành phân bố Rayleigh Hình 2.5 mô tả hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean

Nhiễu loạn trong hệ thống FSO

2.3

Nhiễu loạn không khí

2.3.1

Chùm tia quang truyền qua khí quyển chịu tác động của nhiễu loạn khí quyển với pha

và biên độ biến thiên ngẫu nhiên Nhiễu loạn là một trạng thái rối loạn của dòng khí quyển gây ra bởi sự thay đổi nhiệt độ trong khí quyển Nhiễu loạn khí quyển bao gồm nhiều khu vực dòng xoáy hình cầu với đường kính và chỉ số khúc xạ khác nhau Các chùm tia quang truyền qua khí quyển ở không gian và thời gian khác nhau với chiết suất khác nhau, các chỉ

số này không đồng nhất ở các quy mô khác nhau Sự không đồng nhất với quy mô lớn sẽ tạo

ra hiện tượng khúc xạ khiến chùm tia phát đi lệch so với hướng truyền ban đầu Do đó, ở quy mô lớn thì hiệu ứng chủ yếu là làm sai lệch pha của sóng truyền đi Sự không đồng nhất



với quy mô nhỏ tạo ra hiệu ứng nhiễu xạ và làm sai lệch biên độ của sóng gây ra sự biến thiên của biên độ

Môi trường truyền dẫn

2.3.2

Kênh truyền dẫn quang khác so với kênh nhiễu Gauss thông thường, tín hiệu đầu vào của kênh, x(t), thể hiện công suất chứ không phải là biên độ Điều này dẫn tới hai điều kiện ràng buộc trên tín hiệu được truyền: x(t) phải không âm và giá trị trung bình của x(t) không được vượt quá một giá trị quy định

 

max

1lim2

Kênh truyền quang không dây bao gồm các loại khí như trong bảng 2.3 Ngoài ra, trong kênh truyền còn bao gồm mưa, sương mù và các loại khác của hơi nước Lượng hơi nước có trong kênh truyền phụ thuộc vào vị trí (kinh độ, vĩ độ) và theo từng mùa Sự tập trung hơi nước lớn nhất ở gần bề mặt trái đất nằm trong tầng đối lưu

Với sự phân bố về kích thước của các dải thành phần khí quyển từ micromet tới centimet, một trường quang đi qua khí quyển sẽ bị tán xạ hoặc hấp thụ và gây ra suy hao

Lệch hướng phát-thu

2.3.3

Lỗi định hướng (sự lệch hướng) là tổng độ dịch giữa tâm chùm tia và tâm khẩu độ thu Sự lệch hướng được tổng quát gồm 2 yếu tố: sự lệch hướng cố định và sự lệch hướng ngẫu nhiên

Trong đường truyền thẳng của hệ thống FSO, độ chính xác định hướng là một vấn đề quan trọng trong việc xác định hiệu năng đường truyền và độ tin cậy Tuy nhiên, gió và sự giãn do nhiệt độ dẫn tới sự rung lắc tòa nhà, điều này gây ra sự lệch hướng và fading tín hiệu tại phía thu Thu được một mô hình thống kê mới cho sự lệch hướng, mà xác định kích thước khẩu độ thu, độ rộng chùm tia, và phương sai jitter

Hình 2.6: Mô hình lệch hướng của chùm tia Đối với chùm tia Gauss, sự phân bố chuẩn hóa theo không gian của cường độ tín hiệu phát tại khoảng cách z từ bộ phát xác định theo:

Với hp  ký hiệu cho tỷ lệ công suất thu được bởi bộ thu và A là diện tích vùng thu

Mô hình kênh nhiễu loạn không khí

2.3.4

Trường bức xạ (cường độ) trong môi trường nhiễu loạn là  2

I  A r trong khi cường độ trong không gian tự do (không có sự nhiễu loạn) được cho bởi công thức

 Mô hình kênh nhiễu loạn Gamma-Gamma

Bức xạ chuẩn hóa I=XY có thể được phân chia thành các hệ số hoạt động giống như quá trình điều chế khi X và Y xuất hiện tương ứng, từ cấp độ lớn (large- scale) và cấp độ nhỏ (small-scale) của hiệu ứng không khí Giả sử rằng cả hai cấp độ mạnh và cấp độ yếu của sự dao động bức xạ được hình thành bởi các phân bố gamma:

Sự phân bố log-normal không thể mô tả hiệu ứng nhấp nháy trong chế độ nhiễu loạn mạnh Trong khi đó, để thiết lập mô hình kênh, một phân bố Gamma-Gamma đã được sử dụng cho mô hình fading trong khí quyển Trong trường hợp này, PDF của ha được cho là:

Kết luận chương 2

2.4

Nội dung chương 2 đã trình bày khái niệm và mô hình giải tích của các tham số đường truyền FSO cũng như RF Trong đó, FSO bao gồm suy hao đường truyền, nhiễu loạn không khí yếu, mạnh và sự lệch hướng RF bao gồm suy hao kênh truyền và fading Dựa trên mô hình kênh nêu ở chương 2, việc phân tích, đánh giá hiệu năng của hệ thống lai ghép RF/FSO dưới ảnh hưởng của nhiễu loạn và lệch hướng sẽ được trình bày trong chương 3