Đánh giá hiệu năng hệ thống truyền thông không dây lai ghép RF FSO (LV thạc sĩ)

Đánh giá hiệu năng hệ thống truyền thông không dây lai ghép RF FSO (LV thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng hệ thống truyền thông không dây lai ghép RF FSO (LV thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng hệ thống truyền thông không dây lai ghép RF FSO (LV thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng hệ thống truyền thông không dây lai ghép RF FSO (LV thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng hệ thống truyền thông không dây lai ghép RF FSO (LV thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng hệ thống truyền thông không dây lai ghép RF FSO (LV thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng hệ thống truyền thông không dây lai ghép RF FSO (LV thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng hệ thống truyền thông không dây lai ghép RF FSO (LV thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng hệ thống truyền thông không dây lai ghép RF FSO (LV thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng hệ thống truyền thông không dây lai ghép RF FSO (LV thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng hệ thống truyền thông không dây lai ghép RF FSO (LV thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng hệ thống truyền thông không dây lai ghép RF FSO (LV thạc sĩ)Đánh giá hiệu năng hệ thống truyền thông không dây lai ghép RF FSO (LV thạc sĩ)

-

BÙI QUỐC VƯƠNG

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG

KHÔNG DÂY LAI GHÉP RF/FSO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2016

-

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS ĐẶNG THẾ NGỌC

HÀ NỘI - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Bùi Quốc Vương

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh sự

nỗ lực cố gắng của bản thân còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của các Thầy, Cô, sự giúp

đỡ của bạn bè trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sĩ

Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS TS ĐẶNG THẾ NGỌC, Thầy đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình, chu đáo và có những nhận xét, góp ý quý báu giúp em trong suốt quá trình thực hiện luận văn cho đến khi luận văn được hoàn thành

Em xin gửi làm cảm ơn đến tất cả Thầy, Cô giáo Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã tận tình chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em được nghiên cứu và học tập trong thời gian qua

Học viên

Bùi Quốc Vương

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN… ii

MỤC LỤC…… iii

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vii

LỜI MỞ ĐẦU… 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY FSO 3

1.1 Giới thiệu hệ thống FSO 3

1.1.1 Các lợi thế và thách thức của hệ thống FSO 7

1.1.2 Ứng dụng của công nghệ FSO 10

1.2 Mô hình hệ thống FSO 12

1.2.1 Bộ phát 13

1.2.2 Bộ thu 16

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng lên hiệu năng của hệ thống FSO 17

1.3.1 Nhiễu lượng tử 17

1.3.2 Nhiễu nhiệt 18

1.3.3 Nhiễu dòng tối và nhiễu nền 19

1.3.4 Các yếu tố khác 19

1.4 Kết luận chương 1 19

CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY 20

2.1 Suy hao trong hệ thống RF và FSO 20

2.1.1 Suy hao trong hệ thống RF 20

2.1.2 Suy hao trong hệ thống FSO 21

2.2 Fading trong hệ thống RF 26

2.2.1 Hiện tượng đa đường (Multipath) 26

2.2.2 Hiệu ứng Doppler 27

2.2.3 Các dạng kênh truyền 28

2.2.4 Các mô hình kênh fading cơ bản 30

2.3 Nhiễu loạn trong hệ thống FSO 33

2.3.1 Nhiễu loạn không khí 33

2.3.2 Môi trường truyền dẫn 34

2.3.3 Lệch hướng phát-thu 35

2.3.4 Mô hình kênh nhiễu loạn không khí 39

2.4 Kết luận chương 2 44

CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY LAI GHÉP RF/FSO 45

3.1 Giới thiệu hệ thống lai ghép RF/FSO 45

3.2 Mô hình hệ thống 45

3.2.1 Mô hình kênh liên kết RF 47

3.2.2 Mô hình kênh liên kết FSO 47

3.3 Mô hình toán học đánh giá hiệu năng của hệ thống 50

3.3.1 Mô hình toán học tính toán xác suất dưới ngưỡng (dừng) 50

3.3.2 Tỷ lệ lỗi bit trung bình 51

3.3.3 Khảo sát hiệu năng hệ thống khi có sự lệch hướng 53

3.4 Các kết quả khảo sát 55

3.4.1 Xác suất dưới ngưỡng 56

3.4.2 Tỷ số lỗi bit (BER) 58

3.4.3 Khảo sát hệ thống trong ảnh hưởng của lệch hướng 61

3.5 Kết luận chương 3 63

KẾT LUẬN 64

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Hiện tượng nghẽn cổ chai trong mạng 4

Hình 1.2: Các ảnh hưởng bên ngoài tời hệ thống FSO 8

Hình 1.3: Mô hình hệ thống FSO 12

Hình 1.4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Laser 14

Hình 2.1: Hiện tượng truyền sóng đa đường 27

Hình 2.2: Hàm truyền đạt của kênh 28

Hình 2.3a: Kênh truyền chọn lọc tần số ( f0W) 29

Hình 2.3b: Kênh truyền chọn lọc tần số ( f0>W) 29

Hình 2.4: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh 31

Hình 2.5: Hàm mật độ xác suất phân bố Ricean: k =dB (Rayleigh), k = 6 dB 33

Hình 2.6: Mô hình lệch hướng của chùm tia 36

Hình 3.1: Mô hình hệ thống lai ghép RF/FSO 46

Hình 3.2: Xác suất dưới ngưỡng của hệ thống trong điều kiện nhiễu loạn mạnh và vừa với th= 0 dB, [10] 56

Hình 3.3: Xác suất dưới ngưỡng của hệ thống trong điều kiện nhiễu loạn mạnh và vừa với th= 10 dB, [10] 57

Hình 3.4: BER hệ thống trong các môi trường nhiễu loạn với điều chế BPSK ( 2) và C = 1, [10] 58

Hình 3.5: BER trung bình của hệ thống trong các môi trường nhiễu loạn với điều chế QPSK và C = 1, [10] 59

Hình 3.6: So sánh BER giữa hai điều chế BPSK và QPSK trong nhiễu loạn vừa phải ( = 4 và  = 1,9; C = 1), [10] 60

Hình 3.7: So sánh BER giữa hai điều chế BPSK và QPSK trong nhiễu loạn mạnh ( = 4,2 và  = 1,4) với C = 1, [10] 61

Hình 3.8: Xác suất dưới ngưỡng của hệ thống trong nhiễu loạn mạnh ( = 4,2 và  = 1,4) với  khác nhau và th 10dB, [10] 62

Hình 3.9: BER trung bình khi có lệch hướng trong môi trường nhiễu loạn mạnh ( = 4,2 và  = 1,4) với  khác nhau và C = 1, [10] 63

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Bảng so sánh FSO và một số công nghệ khác 5

Bảng 1.2: Các loại nguồn quang 15

Bảng 1.3: Bộ tách sóng FSO 17

Bảng 2.1: Các phần tử khí có trong kênh truyền 25

Bảng 2.2: Bán kính và quá trình tán xạ của các hạt tán xạ điển hình có trong không khí tại = 850 nm 27

Bảng 2.3: Điều kiện thời tiết và các giá trị tầm nhìn 28

Bảng 2.4: Giá trị NMSE giữa giá trị chính xác và xấp xỉ của hp 32

Bảng 3.1: Thông số các kiểu điều chế nhị phân 59

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng

BEP Bit Error Probability Xác suất bit lỗi

BPSK Binary Phase-Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

CDF Combined Distribution Frame Hàm phân phối tích lũy

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập (người dùng)

DSL Digital Subcriber Line Đường dây thuê bao số

DWDM Dense-Wave Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước

sóng với mật độ cao FSO Free Space Optics Truyền quang qua không gian tự

do HFC Hybrid Fiber Coaxial Lai ghép cáp sợi quang – cáp

đồng trục IM/DD Intensity Modulation/ Direct

Detection

Điều chế cường độ/ Tách sóng trực tiếp

Laser Light amplication by Stimulated

Emission of Radiation

Khuếch đại ánh sáng bằng phát

xạ kích thích LED Light Emitting Diode Diode phát xạ ánh sáng

LD Laser Diode Laser diode

MAN Metropolitan Area Network Mạng đô thị

MSE Mean Squared Error Sai lỗi bình phương chuẩn hóa

PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha trực giao

SLC Serial Link Combiner Ghép kênh quang theo thứ tự WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước

sóng

LỜI 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

Trong luận văn này, để tiện theo dõi, nội dung các chương được khái quát lại như sau:

− Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền thông quang không dây FSO, bao gồm khái niệm, cấu trúc, ưu nhược điểm, cũng như các mô hình hệ thống FSO

− Chương 2: Giới thiệu về các yếu tố ảnh hưởng tới suy hao trong hệ thống FSO và RF Nhiễu loạn không khí, giới thiệu về mô hình kênh nhiễu loạn không khí

− Chương 3: Đánh giá hiệu năng hệ thống truyền thông không dây lai ghép RF/FSO, đưa ra các nhận xét, đánh giá về hệ thống, là trọng tâm của luận văn

Mặc dù đã hết sức cố gắng trong quá trình nghiên cứu, nhưng luận văn chắc chắn

sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy, em rất mong nhận được sự thông cảm và góp ý, nhận xét của các thầy cô giáo để luận văn được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 16 tháng 01 năm 2017

Bùi Quốc Vương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG

QUANG KHÔNG DÂY FSO

1.1 Giới thiệu hệ thống FSO

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 Các nhà cung cấp dịch vụ đang đối mặt với sự cần thiết phải thay đổi nhanh chóng và hiệu quả ở cùng một thời gian khi mà vốn đầu tư bị hạn chế Về mặt công nghệ, đã có rất nhiều giải pháp cho vấn đề này nhưng hầu hết đều chưa đạt được hiệu quả về giá trị kinh tế

Đầu tiên, lựa chọn hiển nhiên nhất để tăng dung lượng cho mang truy nhập đó

là sử dụng cáp sợi quang Cáp sợi quang chính là giải pháp tin cậy nhất của truyền thông quang Nhưng thời gian lắp đặt và chi phí chính là cản trở của phương pháp này khi tính đến mặt kinh tế Hơn nữa, một khi đã lắp đặt sợi quang thì nó sẽ trở thành một “giá trị cố định” và không thể bố trí lại nếu khách hàng chuyển sang một nhà cung cấp dịch vụ mới, khiến cho rất khó có thể khôi phục lại giá trị hạ tầng trong một khung thời gian hợp lý

Hình 1.1:Hiện tƣợng 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, nhƣng các mạng dựa trên RF yêu cầu sự đầu tƣ lớn khi phải đăng ký dải phổ Hơn nữa, các công nghệ RF gặp phải khó khăn khi muốn mở rộng lên dung lƣợng 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 lƣợng của các mạng quang

Lựa chọn thứ ba đó là công nghệ dựa trên dây cáp đồng (nhƣ 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 nhƣng đây vẫn không phải là một giải pháp thỏa đáng trong việc giải quyết hiện tƣợng 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, nhƣng 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 tƣ và thích hợp nhất chính là FSO Công nghệ này là một giải pháp tối ƣu nhờ những ƣu điểm của công nghệ quang nhƣ 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) Với các nhà cung cấp mạng đô thị MAN (Metropolitan Area Network) thì vấn đề “dặm cuối” (last mile) đang làm nản chí các nhà cung cấp trong các dịch vụ băng thông rộng FSO có thể giải quyết vấn đề này và cho phép các khách hàng mới có thể truy nhập vào mạng MAN tốc độ cao

Bảng 1.1: Bảng so sánh FSO và một số công nghệ khác UTP

100Gbps Đa dạng

100Mbps-Cài đặt Dễ dàng Trung

Trung bình

Chi phí Ít nhất Trung

bình

Trung bình

Trung bình (không tính giá

các tòa nhà

Mạng đa điểm

Điểm – điểm, khoảng cách ngắn

Điểm – điểm, khoảng cách dài

Điểm – điểm

Giữa các tòa nhà, khoảng cách ngắn

Ưu điểm

Rẻ, thân thiện, dễ cài đặt, phổ biến

Ít gây nhiễu tới các thiết

bị khác, tốc độ cao

Tốc độ Tốc độ,

tính di động cao

Bảo mật, dung lượng lớn, không chịu ảnh hưởng

Giá cả, hiệu năng hợp lý

bộ lặp hay

bộ khuếch đại

Kềnh càng, khó

sử dụng

Có thể bị chặn

Trễ truyền sóng, có thể bị chặn

Khó ghép nối

Có thể bị chặn

Ghi chú

Cáp xoắn cho phép tốc độ cao hơn nhưng

khó sử dụng

Băng rộng yêu cầu cường độ bảo trì cao hơn

Yêu cầu đăng ký sóng từ FCC

Ít sử dụng cho các mạng cá nhân

Chưa có giới hạn

về dung lượng

Công nghệ mới

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 …

1.1.1 Các lợi thế và thách thức của hệ thống FSO

 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

Công nghệ FSO có thể đáp ứng rất nhiều ưu điểm, khi so sánh với công nghệ cáp sợi Các hệ thống FSO có thể được triền khai với rất nhiều các kiến trúc mạng, được lắp đặt từ nóc nhà tới nóc nhà, cửa sổ tới cửa sổ hoặc tùy theo yêu cầu Nó cũng

có thể được thực hiện cho các ứng dụng xách tay, và trong một vài trường hợp việc sản xuất này còn có chi phí thấp hơn các đường truyền cáp quang Vì vậy, công nghệ FSO giúp loại bỏ quá trình triển khai tốn kém Truyền thông FSO analog có thể giảm các thiết bị truyền dẫn khi so sánh với việc thực hiện số

Khi so sánh với các đường truyền vô tuyến, các đường truyền FSO không cần

sự cấp phép, nó có tính đề kháng cao đối với các loại nhiễu điện từ BMI (Electromagnetic Interference), và cung cấp tính bảo mật đường truyền tốt hơn Hơn nữa, các đường truyền FSO cũng có tính đề kháng cao với các nhiễu từ các nguồn khác của bức xạ quang Chùm tia FSO không thể bị phát hiện bằng các bộ phân tích phổ hay các máy đo RF Sự truyền dẫn laser FSO là toàn quang và truyền dọc theo đường nhìn thẳng LOS (Line-of-Sight) mà không thể bị can thiệp dễ dàng Các chùm laser được tạo bởi hệ thống FSO là hẹp và không nhìn thấy được Dữ liệu có thể được truyền qua kết nối được bảo mật bổ sung cho các mạng truyền dẫn FSO

Đối với nhà cung cấp giải pháp mạng đô thị băng thông rộng thì FSO là một giải pháp vô cùng hiệu quả Hệ thống này có thừa băng thông (200 THz trong phạm vi bước sóng 700-1500 nm) Ví dụ với một mạng đô thị, việc triền khai một hệ thống cáp quang hay thuê lại của nhà cung cấp dịch vụ đều là giải pháp tốn kém Với FSO, chúng ta có thể thiết lập một hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao một cách nhanh chóng, an toàn và chi phí thấp, không tốn nhiều tiền để bảo dưỡng và hạn chế tối đa

các rủi ro khách quan Hơn nữa còn góp phần làm cho bộ mặt của nội thị văn minh hơn

 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

Hình 1.2:Các ảnh hưởng bên ngoài tời hệ thống FSO

Sương mù: Sương mù là một thách thức chính 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 lan của ánh sáng hoặc ngăn cản hoàn toàn sự truyền lan của ánh sáng thông qua sự kết hợp của các hiện tượng hấp thụ, tán xạ và phản xạ Điều này có thể dẫn đến sự suy giảm mật độ công suất của búp sóng phát, giảm cự ly hoạt động của tuyến FSO

Sự nhấp nháy: Sự nhấp nháy là sự biến đổi về không gian của cường độ sáng gây ra bởi sự hỗn loạn không khí Gió và sự thay đổi nhiệt độ tạo ra những túi khí có mật độ thay đổi nhanh dẫn tới sự thay đổi nhanh chỉ số chiết xuất, đó chính là nguyên nhân gây ra sự hỗn loạn Các túi khí này đóng vai trò như những thấu kính có đặc tính

thay đổi theo thời gian và làm tỷ lệ lỗi bit của các hệ thống FSO tăng mạnh, đặc biệt

là khi có ánh sáng mặt trời

Sự trôi búp: Sự trôi búp xảy ra khi luồng gió hỗn loạn (gió xoáy) lớn hơn đường kính của búp sóng quang gây ra sự dịch chuyển chậm nhưng đáng kể của búp sóng quang Sự trôi búp cũng có thể là kết quả của các hoạt động địa chấn gây ra sự dịch chuyển tương đối giữa vị trí của laser phát và bộ thu quang

Giữ thẳng hướng phát-thu khi tòa nhà dao động: Giữ thắng 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 Sự dẫn nhiệt của các phần khung tòa nhà hoặc những trận động đất yếu có thể gây ra sự lệch hướng Trong khi sự dẫn nhiệt có đặc tính chu kỳ theo ngày hoặc mùa thì động đất lại không thể dự đoán được Một nguyên nhân gây ra sự lệch hướng nữa

là gió, đặc biệt khi các thiết bị thu phát được đặt trên các tòa nhà cao Sự dao động của tòa nhà là một quá trình ngẫu nhiên làm ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống và gây ra lỗi

Sự an toàn cho mắt: Với sự gia tăng của các hệ thông truyền thông quang vô tuyến sử dụng các búp laser hướng về các vùng dân cư mật độ cao, sự an toàn cho mắt

là vấn đề đáng được quan tâm Những hệ thống FSO này phải an toàn đối với mắt, có nghĩa là chúng phải không gây nguy hiểm cho những người vô tình gặp phải các búp sóng quang Yêu cầu này rõ ràng sẽ tạo ra giới hạn cho cường độ búp sóng phát của laser Laser với công suất cao có thế được sử dụng an toàn hơn với các hệ thống sử dụng bước sóng 1550 nm, hơn là với các hệ thống sử dụng bước sóng 850 nm và 780

nm Điều này là do các bước sóng nhỏ hơn khoảng 1400 nm được tập trung bởi giác mạc của mắt vào một điểm rơi trên võng mạc, có thể gây tác hại xấu đến mất

Công suất laser an toàn có thể chấp nhận được tại bước sóng 1550 nm là lớn hơn so với tại các bước sóng khác khoảng 50 lần Hệ số 50 này là rất quan trọng do nó cung cấp tới 17 dB dự trữ thêm, cho phép hệ thống có thể truyền qua khoảng cách xa, qua các môi trường suy hao mạnh, và hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao Tuy nhiên, các hệ thống sử dụng bước sóng 1550 nm lại đắt hơn gấp 10 lần so với các hệ thống sử dụng bước sóng 850 nm Tốc độ dữ liệu cao nhất có thể đạt được với các hệ thông thương

mại sử dụng bước sóng 850 nm là 622 Mbps, và đối với các hệ thống sử dụng bước sóng 1550 nm là 2,5 Gbps

1.1.2 Ứng dụng của công nghệ FSO

 Kết nối tốc độ cao giữa các tòa nhà với FSO

Hiện nay, các doanh nghiệp đang gặp phải vấn đề quá tải lưu lượng mạng tại các kết nối giữa các tòa nhà Với các doanh nghiệp sử dụng các mạng nội bộ dựa trên tiêu chuẩn Gigabit Ethernet, các kết nối 2,048 (hoặc 1,544) Mbit/s giữa các tòa nhà sẽ làm hạn chế lưu lượng kết nối Trong khi đó, các doanh nghiệp với yêu cầu số liệu lớn mong muốn truyền dẫn dung lượng cao giữa các trụ sở doanh nghiệp mà không sử dụng các kết nối sợi quang chi phí cao Việc lắp đặt sợi quang cũng phức tạp và tốn thời gian hơn Ngoài ra, việc xin cấp phép, vấn đề an ninh, đào rãnh, đặt cáp và yêu cầu về môi trường cũng là các vấn đề trở ngại Đề loại bỏ các vấn để trở ngại trên và tăng lưu lượng kết nối, các doanh nghiệp có các tòa nhà nằm trong tầm nhìn thẳng chuyển sang sử dụng các giải pháp FSO Tóm lại, các giải pháp FSO cho phép loại bỏ:

chim có thể làm gián đoạn việc truyền thông tin, nhưng điều đó chỉ xảy ra trong chốc lát và hệ thống sẽ nhanh chóng phục hồi Trong khi đó, việc thu trộm thông tin đòi hỏi phải đặt thiết bị trên đường đi của búp sóng trong khoảng thời gian dài

Phải thừa nhận rằng việc đặt thiết bị thu trộm thông tin giữa hai khối FSO là rất khó khăn do kích thước búp quang rất hẹp, khó xác định được vị trí búp, búp lại thường được đặt ở rất cao và không gần bất cứ thứ gì Việc phát hiện thiết bị thu trộm

là hoàn toàn có khả năng thực hiện được do búp quang trong tầm nhìn thẳng, có thể

sử dụng các máy quay phim để giám sát việc lắp đặt thiết bị thu trộm và đường truyền của búp sóng quang để phát hiện bất cứ hoạt động khả nghi nào

FSO là một công nghệ quang có thể kết nối bất cứ điểm nào trong mạng FSO, với khả năng của nó để trở thành lớp một và giao thức trong suốt, có thể tích hợp và

tổ chức liên kết với rất nhiều các phần tử mạng và giao diện Điều này cho phép nó trở thành một phần của họ các mạng quang Một vài ứng dụng phổ biến được sử dụng trong hệ thống FSO là:

Mở rộng mạng đô thị: hệ thống FSO có thế được triển khai để mở rộng mạng vòng đô thị đã có sẵn hay kết nối tới các mạng khác

Khả năng kết nối doanh nghiệp: các kết nối LAN - LAN, mạng lưu trữ SAN (storage area network),…

Kết nối dặm cuối (last - mile): đây là các đường truyền mà có thể tiếp cận người sử dụng đầu cuối Chúng có thể được triển khai điểm – điểm, điểm – đa điểm hay các kết nối hình lưới

Bổ sung cho cáp sợi quang: FSO cũng có thể được triển khai như đường truyền

Các công nghệ DWDM: với sự kết hợp của WDM và các hệ thống FSO, những người sử dụng độc lập hướng tới xây dựng các vòng cáp sợi cho riêng họ, nhưng có thể sở hữu một phần của mạng vòng

Truyền thông mạng tế bào: có thể được sử dụng để vận tải lưu lượng giữa các trạm gốc và các trung tâm chuyển mạch trong các mạng 3G/4G, cũng như việc vận chuyển tín hiệu đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) từ các ô macro tới ô micro

và tới các trạm gốc

Tóm lại, về mặt công nghệ, ứng dụng ít thách thức nhất là sử dụng FSO làm đường truyền số liệu kết nối các tòa nhà đô thị (kết nối giữa các mạng LAN) Trong ứng dụng này, cự ly tuyến FSO từ vài trăm mét cho tới vài km, việc triển khai FSO đơn giản và tốn ít chi phí lắp đặt hơn bất kỳ loại cáp nào FSO có thể sử dụng làm đường truyền dẫn tốc độ cao nối người dùng Internet với nhà cung cấp hoặc các mạng khác Nó cũng có thể được sử dụng làm hệ thống mạng vòng đô thị để cung cấp các kết nối tốc độ cao cho các doanh nghiệp FSO có thể được dùng để mang lưu lượng của mạng di động từ antenna tới các thiết bị khác của mạng FSO thậm chí có thể dùng để truyền số liệu giữa một tàu vũ trụ ở xa và một trạm ở gần trái đất

1.2 Mô hình hệ thống FSO

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

Hình 1.3:Mô hình hệ thống FSO

• Bộ phát laser

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) có nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích Ngày nay, bộ phát laser trở thành một phần tử thiết yếu trong hệ thống viễn thông, nó đóng vai trò là bộ phát chính trong hệ thống thông tin quang nói chung và được ứng dụng trong thông tin quang trong không gian tự do được xét đến trong đề tài này

Ban đầu bộ phát laser được phỏng theo Master, một thiết bị có cơ chế tương tự nhưng tạo ra tia vi sóng hơn là các bức xạ ánh sáng Master đầu tiên không có khả năng phát ra các chùm bức xạ liên tiếp và người tìm ra giải pháp khắc phục vấn đề này là các nhà khoa học Nga, Nikolai Basov và Aleksandr Prokhorov Năm 1964 hai nhà khoa học này vinh dự nhận giải Nobel vật lý cùng với tiến sỹ Townes

Laser hồng ngọc, một laser chất rắn, được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1960, bởi nhà vật lý Theodore Maiman tại phòng thí nghiệm Hughes ở Malibu, California Hồng ngọc là oxit nhôm pha lẫn crôm Crôm hấp thụ ánh sáng màu xanh lá cây và xanh lục, để lại duy nhất tia sáng màu hồng phát ra

Cấu trúc cơ bản của Laser gồm nhiều lớp bán dẫn không đồng nhất để tạo thành cấu trúc dị thể kép và được cấu tạo dưới dạng khoang cộng hưởng Fabry-Perot Khoang cộng hưởng là một hình hộp chữ nhật sáu mặt có khả năng giam hãm photon

và các hạt tải điện Khoang cộng hưởng có kích thước rất nhỏ, dài từ 250 đến 500 µm, rộng từ 5 đến 15 µm và dày từ 0,1 đến 0,2 µm

Hai tiếp giáp dị thể kép nằm phía dưới và phía trên lớp hoạt tính và chiết suất của hai lớp hạn chế nhỏ hơn chiết suất lớp hoạt tính đã tạo ra khả năng giam hãm photon và hạt tải điện theo chiều ngang

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 1.4: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

Bảng 1.2: Các loại nguồn quang

~850

Phát xạ mặt khoang cộng hưởng dọc

Rẻ và có tính khả dụng Không có hoạt động làm mát, mật độ công suất thấp, tốc độ lên tới ~10Gbps

~1300/~1550 Fabry–Perot

Phân phối – phát phản xạ

Thời gian sống lâu Tiêu chuẩn an toàn cho mắt thấp hơn

Mật độ công suất cao hơn 50 lần (100nW/cm2)

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

Độ dốc hiệu quả 0,03-0,2 W/A

~10000 Thác lượng tử

Đắt tiền và tương đối mới Rất nhanh và độ nhạy cao Truyền dẫn trong sương mù tốt hơn Thành phần chế tạo không có sẵn Không thâm nhập qua thủy tinh

Gần hồng ngoại LED

Rẻ hơn Mạch điều khiển đơn giản Công suất và tốc độ dữ liệu thấp hơn Trong dải bước sóng 700 – 10.000 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 rộng rãi bởi vì thiết bị và thành phần trong dải bước sóng này có sẵn và chi phí thấp Dải 1550 nm được quan tâm vì một số lý do sau:

a) khả năng tương thích với các mạng ghép kênh phân chia theo bước sóng cửa

sổ thứ 3

b) bảo vệ mắt (công suất phát tại bước sóng 1550 nm có thể gấp 50 lần so với tại 850 nm)

c) giảm được năng lượng mặt trời và tán xạ ánh sáng trong mây mù/sương mù

Vì vậy, ở dải 1550 nm có thể truyền được một công suất đáng kể vượt qua việc suy

hao bởi sương mù Tuy nhiên hạn chế của dải 1550 nm độ nhạy giảm, chi phí linh kiện cao hơn và yêu cầu liên kết chặt chẽ

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

Bảng 1.3: Bộ tách sóng FSO Vật liệu/cấu trúc Bước sóng (nm) Đáp ứng Độ lợi

Silicon PIN, với bộ

khuếch đại phối hợp

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 Mặc dù bức xạ nền có thể được hạn chế bằng cách sử dụng bộ lọc quang, nó vẫn gây ra nhiễu đáng kể trong quá trình tách Nhiễu lượng tử của bộ tách bắt nguồn

từ sự ngẫu nhiên của quá trình đếm photon tại bộ tách photon Nhiễu nhiệt có thể được mô hình hóa dưới dạng nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN), có mức phổ tỷ lệ thuận với nhiệt độ bộ thu

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

1.3.1 Nhiễu lượng tử

Nhiễu chủ yếu đi kèm với bộ tách quang được gọi là nhiễu lượng tử hay nhiễu

nổ Khi một sóng ánh sáng chưa điều chế được đo bởi một bộ tách quang, ta thu được hai thành phần dòng điện ở đầu ra Phần tử thứ nhất là dòng DC, và phần tử thứ hai là tín hiệu nhiễu lượng tử không mong muốn Nhiễu lượng tử phát sinh từ tính chất thống kê tự nhiên của sự sinh ra và tái hợp của các phần tử quang điện riêng biệt khi một tín hiệu quang đi tới một bộ tách sóng quang Chúng có mật độ công suất bằng nhau tại tất cả các tần số Nếu mạch điện tử sau bộ tách sóng quang chỉ sử dụng băng thông tần số f , giá trị trung bình bình phương biên độ dòng điện của nhiễu lượng tử là:

Đối với đi-ốt tách quang APD, còn có một dạng nhiễu liên quan với nhiễu thừa được tạo ra bởi quá trình nhân thác ngẫu nhiên Dạng nhiễu F(g) này được định nghĩa

là tỉ số của nhiễu thực tế được tạo ra trong một đi-ốt tách quang thác với nhiễu tồn tại khi tất cả các cặp sóng mang được nhân bởi g và được cho bởi:

g là hệ số nhân trung bình bình phương và có thể được xấp xỉ bằng g2+x

với x thay đổi trong khoảng 0 đến 1 tùy thuộc vào vật liệu và cấu trúc Do đó, trung bình bình phương biên độ dòng điện của nhiễu lượng tử đối với APD là:

Nhiễu nhiệt, hay còn gọi là nhiễu Johnson hoặc nhiễu Nyquist, được gây ra bởi

sự rối loạn nhiệt độ của điện tích các sóng mang đi qua một điện trở Ở các nhiệt độ trên nhiệt độ 0 tuyệt đối, năng lượng nhiệt của các điện tích sóng mang trong bất cứ điện trở nào cũng dẫn tới sự thay đổi trong mật độ điện tích cục bộ Những điện tích thay đổi này gây ra các gradient điện áp cục bộ mà có thể tạo ra một dòng điện tương ứng trong phần còn lại của mạch điện Nếu các mạch điện chỉ hoạt động với băng thông f và điện trở RL là hằng số trong băng thông này, khi đó trung bình bình phương biên độ dòng điện của nhiễu Johnson 2

1.3.3 Nhiễu dòng tối và nhiễu nền

Dòng tối là dòng điện tiếp tục chảy qua mạch định thiên của thiết bị ngay cả khi không có ánh sáng tới đi-ốt tách quang Nó phát sinh từ các điện tử hoặc lỗ trống được tạo ra trong lớp tiếp giáp p-n của đi-ốt tách quang Dòng tối chủ yếu phụ thuộc vào loại vật liệu bán dẫn, nhiệt độ hoạt động, và điện áp định thiên, và đặc trưng tỉ lệ theo exp(-Eg/kT) Dựa vào các loại vật liệu, các giá trị của dòng tối nằm trong khoảng

từ 100 pA đối với Si và lên tới 100 nA đối với Ge Nhiễu nền được gây ra bởi ánh sáng mà không phải là thành phần của các tín hiệu được truyền đi, chẳng hạn như các ánh sáng ở xung quanh Nếu đi-ốt tách quang không được cách biệt với bức xạ nền thì

sự xuất hiện của loại nhiễu này là không thể tránh khỏi Do tính rời rạc và tính ngẫu nhiên của cả dòng tối và bức xạ nền, những loại nguồn nhiễu này đều tương tự như nhiễu lượng tử

dụ trong bộ thu nhất quán)

 Sự biến động phân cực – Kết quả từ sự thay đổi trạng thái của phân cực của chùm quang thu được sau khi đi qua môi trường nhiễu loạn Tuy nhiên, lượng phân cực biến động là không đáng kể khi một bức xạ quang ngang đi qua vùng không khí nhiễu loạn

1.4 Kết luận chương 1

Nội dung chương 1 đã giới thiệu khái quát về hệ thống truyền thông quang qua không gian tự do cũng như mô hình của hệ thống FSO, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu

năng của hệ thống Tương lai ngày càng đòi hỏi phải có các giải pháp truyền dẫn tốc

độ cao để đáp ứng yêu cầu của các doanh nghiệp, tổ chức và cá nhân Các giải pháp cũng cần phải có chi phí hiệu quả, triển khai nhanh, 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 nhiều trong tương lai

CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN THÔNG KHÔNG

DÂY

2.1 Suy hao trong hệ thống RF và FSO

2.1.1 Suy hao trong hệ thống RF

Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi

mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu Không giống như kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích Tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ…, làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm, các hiện tượng này được gọi chung

là fading Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến

Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin có thể được phân thành hai loại: fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale fading)

Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc độ suy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng Hiện tượng này chịu ảnh hưởng bởi sự cao lên của địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà cao tầng) giữa máy phát

và máy thu Người ta nói phía thu bị che khuất bởi các vật cản cao Các thống kê về

hiện tượng fading tầm rộng cho phép ta ước lượng độ suy hao kênh truyền theo hàm của khoảng cách

Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu Điều này xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bước sóng) giữa phía phát và phía thu Fading tầm hẹp có hai nguyên lý - sự trải thời gian (time-spreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time-variant) của kênh truyền Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền là biến đổi theo thời gian vì sự di chuyển của phía phát và phía thu dẫn đến sự thay đổi đường truyền sóng

Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống di động:

- Phản xạ xảy ra khí sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng phẳng với kích thước rất lớn so với bước sóng tín hiệu RF

- Nhiễu xạ xảy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trở bởi một nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng Nhiễu xạ là hiện tượng giải thích cho nguyên nhân năng lượng RF được truyền từ phía phát đến phía thu mà không cần đường truyền thẳng Nó thường được gọi là hiệu ứng chắn (shadowing) vì trường tán xạ có thể đến được bộ thu ngay cả khi bị chắn bởi vật cản không thể truyền xuyên qua

- Tán xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm cho năng lượng bị trải ra (tán xạ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hướng Trong môi trường thành phố, các vật thể thường gây ra tán xạ là cột đèn, cột báo hiệu, tán lá 2.1.2 Suy hao trong hệ thống FSO

Bức xạ mặt trời bị hấp thụ bởi bề mặt Trái Đất làm cho không khí xung quanh

bề mặt Trái Đất nóng hơn so với không khí tại những điểm cao hơn so với mực nước biển Lớp khí nóng này trở nên mỏng đi và bốc lên cao để hòa trộn một cách hỗn loạn với các vùng không khí lạnh hơn ở xung quanh, làm cho nhiệt độ không khí thay đổi một cách ngẫu nhiên Sự không đồng nhất gây ra bởi sự nhiễu loạn là của các ô nhỏ rời rạc, hoặc các xoáy lốc với nhiệt độ khác nhau, hoạt động như những lăng kính khúc xạ có các kích cỡ khác nhau và các chỉ số khúc xạ khác nhau Sự tương tác giữa

búp sóng laser và môi trường nhiễu loạn dẫn tới kết quả là pha và biên độ của búp sóng quang mang thông tin thay đổi một cách ngẫu nhiên, làm cho hiệu năng của liên kết FSO bị suy giảm

Khi một búp sóng laser lan truyền qua môi trường khí quyển, phân bố không gian thay đổi ngẫu nhiên của chỉ số khúc xạ mà búp sóng laser gặp phải gây ra một số tác động Bao gồm:

- Cường độ thăng giáng quan sát được tại một bộ tách quang đặt tại cuối đường truyền Hiện tượng này được gọi là sự nhấp nháy (scintillation)

- Mức độ thay đổi của sự thăng giáng so với kích cỡ của bộ tách sóng quang, hoặc với kích cỡ của bộ thu quang dùng để điều khiển ánh sáng đã được tập hợp tới

bộ tách Hiện tượng này được gọi là độ mở trung bình

- Nếu một búp sóng dạng Gaussian đối xứng tròn được quan sát thấy tại các khoảng cách khác nhau từ một bộ phát, nó bị suy giảm dần với sự tăng lên của khoảng cách và độ mạnh của sự nhiễu loạn Các sự thay đổi lũy tiến được quan sát thấy là:

(i) Độ lệch của dạng búp sóng phụ thuộc vào thời gian

(ii) Lệch hướng trọng tâm của búp sóng

(iii) Sự tăng lên của độ rộng búp sóng vượt quá dự kiến do sự nhiễu xạ

(iv) Sự đứt gãy của búp sóng thành các phần riêng biệt của cường độ sáng có hình dạng và vị trí thay đổi theo thời gian

Gió làm dịch chuyển không khí có thể gây ra dịch chuyển trọng tâm của chùm tia, nhưng về bản chất gió không làm thay đổi ngẫu nhiên chùm tia laser như sự nhiễu loạn Gió và sự không đồng nhất của nhiệt độ tạo ra những xoáy lốc, những ô nhỏ hay những túi khí có kích thước thay đổi từ 0,1 cm đến 10 m, dẫn tới sự thay đổi nhanh chỉ số khúc xạ, đó là nguyên nhân gây ra sự nhiễu loạn Các túi khí này đóng vai trò như những thấu kính có đặc tính thay đổi theo thời gian Sự lan truyền của ánh sáng trong không gian theo đó sẽ bị lệch hướng một phần hay lệch hướng hoàn toàn là phụ thuộc vào mối quan hệ giữa kích thước của chùm sáng phát ra và mức độ không đồng nhất của nhiệt độ Chính vì vậy, ánh sáng khi đi qua vùng khí quyển bị nhiễu loạn sẽ thay đổi một cách ngẫu nhiên (fading) về pha hay biên độ Ví dụ đơn giản về ảnh hưởng của sự nhiễu loạn là ánh sáng nhấp nháy của những ngôi sao, hay ánh sáng mờ

ảo cuối đường chân trời mà ta nhìn thấy vào những ngày nắng nóng

Nhiễu loạn không khí thường được phân loại theo các mô hình phụ thuộc vào

độ lớn của sự thay đổi chỉ số khúc xạ và sự không đồng nhất Các mô hình này là một hàm của khoảng cách truyền dẫn, bức xạ quang qua môi trường khí quyển và được phân loại theo các mức độ yếu, trung bình và mạnh

Suy hao khi truyền tín hiệu trong bầu khí quyển của hệ thống FSO là hệ quả của quá trình hấp thụ và tán xạ Nồng độ của vật chất trong khí quyển gây ra việc suy hao tín hiệu khác nhau theo không gian và thời gian, và sẽ phụ thuộc vào điều kiện thời tiết của từng vùng Với một tuyến FSO trên mặt đất, cường độ tín hiệu thu được tại khoảng cách L từ bộ phát có quan hệ với cường độ tín hiệu phát theo quy luật Beer – Lambert như sau:

Trong đó    và   ,Ltương ứng là hệ số suy hao (m-1

) và suy hao tổng tại bước sóng  Suy hao của tín hiệu quang trong không khí là do sự hiện diện của các phần

tử khí có trong khí quyển và hơi nước Hệ số suy hao là tổng của hệ số hấp thụ và tán

xạ từ hơi nước và các phân tử khí trong khí quyển, được tính như sau:

Hai hệ số đầu là hệ số hấp thụ do hơi nước và các phần tử khí trong khí quyển, hai hệ

số sau tương ứng là hệ số tán xạ do hơi nước và các phần tử khí

a) Hấp thụ - xảy ra khi có một sự tương tác giữa các photon và các phần tử khí trong quá trình truyền lan trong khí quyển Một số photon bị hấp thụ và năng lượng của chúng biến thành nhiệt Hệ số hấp thụ phụ thuộc rất nhiều vào các loại khí

và mật độ của chúng Sự hấp thụ phụ thuộc bước sóng và do đó có tính chọn lọc Điều này dẫn tới bầu không khí có các vùng trong suốt – dải bước sóng có độ hấp thụ tối thiểu – được xem như là cửa sổ truyền Tuy nhiên, các bước sóng sử dụng trong FSO

về cơ bản được chọn để trùng với các cửa sổ truyền lan trong không khí, kết quả là hệ

số suy hao được chi phối bởi sự tán xạ Do đó    a 

b) Tán xạ - là kết quả của việc phân bố lại góc trường quang khi có và không

có sự thay đổi bước sóng Ảnh hưởng của tán xạ phụ thuộc vào bán kính r của các hạt (sương mù, hơi nước) gặp phải trong quá trình truyền lan Một cách mô tả hiện tượng này là xét tham số kích cỡ x0 2 r/ Nếu x0 =1 thì tán xạ là tán xạ Rayleigh, nếu

x  là tán xạ Mie và nếu x0 ≥1 thì tán xạ có thể thuộc loại khác (quang hình học) Quá trình tán xạ đối với các hạt khác nhau có mặt trong bầu khí quyển được tóm tắt trong bảng 2.1

Bảng 2.1: Bán kính và quá trình tán xạ của các hạt tán xạ điển hình có trong không

cụ gọi là đồng hồ đo truyền dẫn (transmissiometer) Mô hình thực nghiệm phổ biến cho tán xạ Mie được cho bởi:

550a

Suy hao kênh truyền không khí của hệ thống FSO chủ yếu gây ra bởi khói bụi, sương mù và cũng phụ thuộc vào mưa Suy hao tổng sẽ là sự kết hợp của suy hao môi trường không khí và suy hao hình học (geometric loss) Suy hao tổng của hệ thống FSO thực ra rất đơn giản, được cho bởi công thức sau:

 

2 2 2 1

exp

r t

Trong các hệ thống FSO, môi trường không khí và các tác nhân môi trường xung quanh có ảnh hưởng lớn tới suy hao của tín hiệu quang vô tuyến truyền từ nơi phát đến nơi nhận, có các yếu tố đặc trưng gây ảnh hưởng lớn đến suy hao tín hiệu truyền dẫn FSO

2.2 Fading trong hệ thống RF

2.2.1 Hiện tượng đa đường (Multipath)

Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu Điều này xảy ra là do giữa nơi phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp Do vậy, sóng nhận được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác Hiện tượng này được gọi là

sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation) Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch

pha và có ảnh hưởng lẫn nhau Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục lại hoặc bị hư hỏng hoàn toàn Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau Hiện tương này gọi là sự phân tán đáp ứng xung (impulse dispersion) Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng

Hình 2.1:Hiện tượng truyền sóng đa đường

2.2.2 Hiệu ứng Doppler

Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu như trình bày ở hình 2.3 Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu được

bị xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler

Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là n, khi

đó tần số Doppler của tuyến này là: