Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu việt nam

Ngày nay, sự gia tăng không ngừng của lưu lượng Internet và sự phát triển nhanh chóng của các công nghệ quang đã tạo nên những bước chuyển biến mới mẻ trong kiến trúc mạng viễn thông. Các hệ thống truyền thông quang sử dụng sợi quang hiện nay có khả năng truyền tải với dung lượng lớn, kết nối nhiều người dùng và cung cấp nhiều loại dịch vụ như thoại, fax, hình ảnh, số liệu.Cùng có khả năng truyền dẫn tốc độ cao, nhưng các hệ thống truyền thông quang không dây (Free Space Optics FSO) lại dễ dàng lắp đặt, di chuyển hoặc thiết lập lại cấu hình mạng khi cần. FSO là công nghệ viễn thông sử dụng sự truyền lan ánh sáng trong không gian để truyền tín hiệu giữa hai điểm, trong đó tín hiệu quang, thay vì truyền trong sợi quang, sẽ được phát đi trong một búp sóng quang qua không gian. FSO có độ an toàn cao vì sử dụng thông tin tầm nhìn thẳng LOS (lineofsight) và tính hướng của búp sóng quang cao. Tương lai ngày càng đòi hỏi phải có các giải pháp truyền dẫn tốc độ cao để đáp ứng yêu cầu của các doanh nghiêp, tổ chức và cá nhân.Truyền thông quang không dây (FSO) là một công nghệ rất hứa hẹn đang ngày càng nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. Dung lượng của hệ thống FSO tương đương với dung lượng của thông tin cáp quang, tuy nhiên giá thành để triển khai lại chỉ bằng một phần nhỏ so với FTTH. Thêm vào đó, hệ thống FSO có thể nhanh chóng được triển khai sử dụng và tái sử dụng. Tuy nhiên, hầu như chưa có nhiều nghiên cứu tại Việt Nam về công nghệ truyền thông quang không dây này. Đặc biệt là xu hướng chung của thế giới đã và đang chuyển sang nghiên cứu đến các hệ thống FSO.Vì vậy em xin chọn đề tài: “Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam”.

HỮU NGHỊ VIỆT-HÀN

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI

HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG KHÔNG DÂY VÀ VẤN ĐỀ THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN, TỐI ƯU TUYẾN TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM

SVTH : Hồ Thị Kim Tiến

Niên khóa : 2013 - 2016CBHD : ThS Dương Hữu Ái

Trải qua 3 năm học- một chặng đường nhiều thử thách, khó khăn nhưng cũng đạtđược không ít thành công đối với bản thân em Trong khoảng thời gian hoàn hành đồ

án tốt nghiệp có nhiều lúc em thấy rất áp lực, nhưng nhờ sự giúp đỡ của bạn bè, sựhướng dẫn tận tình của thầy cô đã giúp em rất nhiều trong quá trình thực hiện đồ ánnày Đây sẽ là cơ hội để em gửi lời cảm ơn đến mọi người

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS Dương Hữu Ái, giảng viên khoaCông Nghệ Điện Tử - Viễn Thông, trường Cao Đẳng CNTT Hữu Nghị Việt – Hàn, đãtận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đồ án

Em cũng xin chân thành cảm ơn nhà trường, thầy cô giáo trường Cao ĐẳngCNTT Hữu Nghị Việt – Hàn nói chung, các thầy cô trong khoa Điện Tử - Viễn Thôngnói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyênngành, giúp em có được kiến thức, cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ

em trong suốt quá trình học tập

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn tạo điều kiện,quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập cũng như hoàn thành đồ

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG vi

DANH MỤC HÌNH vii

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY (Free Space Optics - FSO) 4

1.1 Giới thiệu về hệ thống truyền thông quang FSO 4

1.1.1 Khái niệm về FSO 4

1.1.2 Lịch sử phát triển 5

1.1.3Ưu, nhược điểm của FSO 6

1.2Các kiến trúc mạng được dùng trong FSO mặt đất 9

1.2.1 Kiến trúc mạng lưới 9

1.2.2 Kiến Trúc Mạng Điểm – Đa Điểm 10

1.2.3Kiến Trúc Mạng Nhiều Tuyến Điểm – Điểm 11

1.2.4Kiến Trúc Mạng Vòng 11

1.3 Mô hình hệ thống FSO 11

1.3.1 Bộ phát 12

1.3.2 Kênh truyền 12

1.3.3 Bộ thu 13

1.4 Kết luận 13

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ ỨNG DỤNG TIÊU BIỂU CỦA HỆ THỐNG FSO 14

2.1 Ứng dụng trong thông tin mặt đất 14

2.1.1 Kết nối tốc độ cao giữa các tòa nhà 14

2.1.2 Ứng dụng trong mạng truy nhập đầu cuối 15

2.1.3 Ứng dụng trong trao đổi thông tin cá nhân 17

2.2 Ứng dụng trong thông tin vệ tinh 17

2.2.1 Phục vụ các hoạt động của con người trong không gian 18

2.2.2 Truyền dữ liệu từ những vệ tinh quan sát 19

2.2.3 Trao đổi thông tin giữa tàu vũ trụ và các vệ tinh 19

CHƯƠNG 3: CÁC VẤN ĐỀ TRONG VIỆC THIẾT KẾ TUYẾN QUANG KHÔNG DÂY 20

3.1 Giới thiệu chương 20

3.3.1Nguồn phát 20

3.3.2Bộ khuếch đại 23

3.3 Đặc điểm, yêu cầu của bộ thu 23

3.3.1 Bộ tách sóng các bước sóng ngắn (hồng ngoại 1330nm) 23

3.3.2 Bộ tách sóng các bước sóng dài (hồng ngoại 1550nm) 24

3.4 Đặc điểm kênh truyền trong hệ thống FSO 25

3.4.1 Các loại suy hao trong môi trường truyền dẫn FSO 25

3.4.2 Ảnh hưởng của sự thay đổi không khí đến chất lượng tín hiệu 27

3.5 Yếu tố ảnh hưởng, đánh giá, nâng cao chất lượng tuyến quang không dây 28

3.5.1 Tham số ảnh hưởng đến chất lượng của tuyến 28

3.5.1.1 Phương trình truyền của tuyến 28

3.5.1.2 Độ suy giảm của không khí 30

3.5.2 Tham số đánh giá chất lượng của tuyến 32

3.5.2.1 Khả năng sử dụng tuyến 32

3.5.2.2 Tỉ lệ lỗi bit BER và tốc độ dữ liệu trên khoảng cách truyền 33

3.5.3 Tham số nâng cao chất lượng của tuyến 34

3.6 Lựa chọn tần số 36

3.6.1 Ảnh hưởng của sự suy giảm không khí tới bước sóng 36

3.6.2 Thiết bị thu, phát 38

3.6.3 Sự an toàn với mắt người 38

3.7 Kết luận chương 39

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ TỐI ƯU TUYẾN THÔNG TIN QUANG KHÔNG DÂY TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM 40

4.1 Giới thiệu chương 40

4.2 Đánh giá điều kiện thời tiết Việt Nam và tính toán suy hao thực tế có thể có đối với đường truyền FSO tại Việt Nam 40

4.2.1 Khí hậu Việt Nam 40

4.2.2 Tính toán độ suy hao tuyến FSO thực tế có thể có tại Việt Nam 42

4.2.3 Tính toán độ dự trữ công suất và BER tuyến FSO 44

4.3 Thiết kế, tính toán và tối ưu tuyến FSO 45

4.3.1 Lưu đồ thuật toán, chương trình và kết quả tính toán bằng Matlab 45

4.3.2 Mô phỏng tuyến FSO 1km bằng phần mềm Optisystem 7.0 51

KẾT LUẬN 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN viii

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN ix

Viết tắt Thuật ngữ tiếng anh Nghĩa tiếng việt

APD

(Si-APD)

Silicon Avalanche Photodiode

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier

FSO Free-space optical communication Thông tin quang không dây

InGaA Indium gallium arsenide

SOA Semiconductor optical amplifiers Bộ khuếch đại bán dẫn

quangSi-PIN Silicon PIN P-type, Intrinsic, N-

typeSNR Signal to noise ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

VCSELs vertical-cavity surface-emitting

laser

Laser phát xạ mặt với bộcộng hưởng thẳng đứng

Bảng 3.1 Phân loại độ an toàn laser của bộ phát nguồn 20 Bảng 3.2 bán kính của hạt tán xạ trong không khí và tham số kích thước tương ứng của bước sóng laser 785 nm và 1550 nm 31

Hình 1.1 Hệ thống truyền thông quang không dây 4

Hình 1.2 Chương trình MLCD của NASA 6

Hình 1.3 Những thách thức đối với FSO 8

Hình 1.4 Kiến trúc mạng lưới 10

Hình 1.5 Kiến trúc mạng điểm- đa điểm 10

Hình 1.6 Kiến trúc điểm- điểm 11

Hình 1.7 Kiến trúc mạng vòng 11

Hình 1.8 Sơ đồ khối của hệ thống truyền thống truyền thông quang không dây 12 Hình 2.1 Kết nối tốc độ cao giữa các tòa nhà 15

Hình 2.2 FSO ứng dụng trong mạng truy nhập đầu cuối 16

Hình 2.3 FSO trong thông tin vệ tinh 18

Hình 2.4 Truyền dẫn quang không dây từ vệ tinh tới trạm mặt đất 19

Hình 3.1 Dòng laser, điện áp thuần và công suất quang đầu ra 21

Hình 3.2 Điều chế IM ở hai nhiệt độ khác nhau 22

Hình 3.3 Cấu tạo Laser VCSEL 22

Hình 3.4 Mô hình một bộ thu phát Laser dùng trong hệ thống FSO 25

Hình 3.5 Ảnh hưởng của môi trường đến tuyến FSO 26

Hình 3.6 Vệt đốm và kích thước trung bình miệng thu 28

Hình 3.7 Công suất thu phụ thuộc vào tích hệ số suy giảm và khoảng cách 30

Hình 3.8 Tham số kích thước hạt tán xạ 32

Hình 3.9 Ảnh hưởng của sương mù, bão tuyết 33

Hình 3.10 Hệ số BER trên khoảng cách ở 1,25Gb/s 34

Hình 3.11 Tốc độ dữ liệu trên khoảng cách 34

Hình 3.12: Hàm thời gian sống của diode giảm theo chiều tăng nhiệt độ 35

Hình 3.13: Thời gian sống tỉ lệ nghịch với công suất ra của laser 36

Hình 3.14 Sự phụ thuộc truyền bước sóng vào những điều kiện không khí, được đo ở khoảng cách 1km, tầm nhìn là 200m 37

Hình 4.1 Mô tả ngày sương mù bình quân tại các tỉnh thành trên cả nước 42

(nguồn từ Trung Tâm Khí Tượng Thủy Văn Quốc Gia ) 42

51

Hình 4.2 BER thay đổi theo công suất 51

Hình 4.3 Preceive thay đổi theo BER 51

bước sóng 1550nm và tốc độ 1,25Gbps 51

Hình 4.4 Mô hình tuyến FSO 1km tại Việt Nam 53

Hình 4.5 Giản đồ mắt và min BER channel 7 54

Hình 4.6 Giản đồ mắt và channel kênh 3 54

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, sự gia tăng không ngừng của lưu lượng Internet và sự phát triển nhanhchóng của các công nghệ quang đã tạo nên những bước chuyển biến mới mẻ trongkiến trúc mạng viễn thông Các hệ thống truyền thông quang sử dụng sợi quang hiệnnay có khả năng truyền tải với dung lượng lớn, kết nối nhiều người dùng và cung cấpnhiều loại dịch vụ như thoại, fax, hình ảnh, số liệu

Cùng có khả năng truyền dẫn tốc độ cao, nhưng các hệ thống truyền thông quangkhông dây (Free Space Optics- FSO) lại dễ dàng lắp đặt, di chuyển hoặc thiết lập lạicấu hình mạng khi cần FSO là công nghệ viễn thông sử dụng sự truyền lan ánh sángtrong không gian để truyền tín hiệu giữa hai điểm, trong đó tín hiệu quang, thay vìtruyền trong sợi quang, sẽ được phát đi trong một búp sóng quang qua không gian.FSO có độ an toàn cao vì sử dụng thông tin tầm nhìn thẳng LOS (line-of-sight) và tínhhướng của búp sóng quang cao Tương lai ngày càng đòi hỏi phải có các giải pháptruyền dẫn tốc độ cao để đáp ứng yêu cầu của các doanh nghiêp, tổ chức và cá nhân.Truyền thông quang không dây (FSO) là một công nghệ rất hứa hẹn đang ngàycàng nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu Dung lượng của hệ thống FSOtương đương với dung lượng của thông tin cáp quang, tuy nhiên giá thành để triển khailại chỉ bằng một phần nhỏ so với FTTH Thêm vào đó, hệ thống FSO có thể nhanhchóng được triển khai sử dụng và tái sử dụng Tuy nhiên, hầu như chưa có nhiềunghiên cứu tại Việt Nam về công nghệ truyền thông quang không dây này Đặc biệt là

xu hướng chung của thế giới đã và đang chuyển sang nghiên cứu đến các hệ thốngFSO

Vì vậy em xin chọn đề tài: “Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam”.

Nội dung đồ án được chia thành 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền thông quang không dây FSO (FreeSpace Optics - FSO)

Chương 2: Một số ứng dụng tiêu biểu của hệ thống FSO

Chương 3: Các vấn đề trong việc thiết kế tuyến quang không dây

Chương 4: Thiết kế, tính toán và tối ưu tuyến thông tin quang không dây trongđiều kiện khí hậu Việt Nam

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

- Tìm hiểu hệ thống truyền thông quang không dây (Free Space Optics- FSO)

và các ưu, nhươc điểm và các phương pháp khăc phục

- Tìm hiểu các bộ phận, yếu tố và các vấn đề trong việc xây dựng một hệ thốngthông tin quang không dây

- Phân tích các yếu tố khí hậu, môi trường của Việt Nam Tính toán và áp dụng

lý thuyết để mô phỏng thiết kế,tối ưu hệ thống FSO tại Việt Nam

- Vận dụng kiến thức lý thuyết và nêu được ứng dụng của FSO vào thực tiễn

- Rèn luyện kỹ năng làm việc độc lập

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.

- Nghiên cứu, tìm hiểu tổng quan hệ thống truyền thông quang không dây

- Các vấn đề trong việc thiết kế một hệ thống quang không dây

- Khí hậu, điều kiện thời tiết tại Việt Nam để thực hiện mô phỏng tuyến FSO

4 Phương pháp nghiên cứu

- thu thập dữ liệu, tìm hiểu qua các phương tiện truyền thông (sách báo,internet…) các tài liệu có liên quan để thuận tiện trong việc nghiên cứu và thực hiện

- Thiết kế mô phỏng hệ thống FSO tại Việt Nam trên phần mềm Optisystem

- Nêu ra được các ứng dụng của công nghệ truyền thông qua FSO

- Một số nội dung khác phát sinh trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp và cácthông tin cập nhật

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

Truyền thông quang không dây (FSO) là một công nghệ rất hứa hẹn đang ngàycàng nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu Dung lượng của hệ thống FSOtương đương với dung lượng của thông tin cáp quang, tuy nhiên giá thành để triển khailại chỉ bằng một phần nhỏ so với FTTH Thêm vào đó, hệ thống FSO có thể nhanhchóng được triển khai sử dụng và tái sử dụng

Tuy nhiên, hầu như chưa có nhiều nghiên cứu tại Việt Nam về công nghệ truyềnthông quang không dây này Đặc biệt là xu hướng chung của thế giới đã và đangchuyển sang nghiên cứu đến các hệ thống FSO Hy vọng đồ án sẽ là bước đệm cho cácsinh viên khóa sau tìm hiểu và nghiên cứu sâu hơn về công nghệ mới này.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG

QUANG KHÔNG DÂY (Free Space Optics - FSO)

Chương 1 sẽ trình bày những định nghĩa khái niệm cơ bản nhất về công nghệ FSO và lịch sử phát triển, nhằm mục đích cung cấp cho người đọc cái nhìn tổng thể và trực quan nhất về công nghệ còn khá mới mẻ này tại Việt Nam

1.1 Giới thiệu về hệ thống truyền thông quang FSO

1.1.1 Khái niệm về FSO

Về cơ bản, FSO là công nghệ truyền thông tin, dữ liệu giữa 2 điểm sử dụng bức

xạ quang như là tín hiệu mang tin và được truyền qua các kênh truyền tự do Dữ liệucần truyền được điều chế vào cường độ, pha, hoặc tần số của bức xạ quang mang tin.Một đường truyền dẫn FSO về cơ bản là đường truyền dẫn thẳng (Light Of Sight-LOS), vì vậy để đảm bảo trao đổi thông tin thành công, yêu cầu máy thu và máy phátphải có thể “nhìn” thấy nhau một cách trực tiếp mà không có bất kỳ một chướng ngạivật nào trên đường truyền Kênh truyền tự do có thể là trong không gian vũ trụ giữacác vệ tinh, dưới nước, trong khí quyển hoặc là sự kết hợp của các loại môi trường trêntrong cùng một tuyến thông tin

Truyền thông FSO qua khoảng cách một vài kilomet có thể đạt tới tốc độ dữ liệu hàng Gbps Công nghệ FSO cung cấp tiềm năng về dung lượng băng thông truyền thông sử dụng các bước sóng quang không cần cấp phép

Hình 1.1 Hệ thống truyền thông quang không dây

1.1.2 Lịch sử phát triển

Thông tin quang trong môi trường tự do (FSO) là một công nghệ đã có từ lâuđời sử dụng sự truyền lan ánh sáng trong không gian để truyền tín hiệu giữa hai điểm

Truyền thông tin quang trong môi trường tự do được đặt nền móng lần đầu tiên

là bởi thí nghiệm Photophone thực hiện bởi Alexander Graham Bell vào năm 1880.Trong thí nghiệm của mình, Bell đã điều chế bức xạ của mặt trời với tín hiệu âm thanh

và truyền đi qua khoảng cách khoảng 200 m Máy thu được làm từ một chiếc gươngparabol với một tế bào Selen đặt tại tiêu điểm Tuy nhiên, thí nghiệm cho kết quảkhông thực sự tốt do thiết bị sử dụng thô sơ và sự gián đoạn tự nhiên của bức xạ mặttrời

Cột mốc quan trọng đánh dấu sự phát triển của công nghê FSO đó là sự tìm racác nguồn quang, mà quan trọng nhất là laser vào những năm 1960 Hàng loạt cácnghiên cứu về FSO đã được thực hiện từ những năm đầu 60 đến những năm 70, ví dụnhư: truyền phổ của tín hiệu truyền hình qua khoảng cách 48 km sử sụng diode phátquang GaA được thực thi bởi cách nhà khoa học của học viện MIT năm 1962; tháng 5năm 1963, tín hiệu âm thanh được điều chế với laser He-NE đã đươc truyền qua190km giữa 2 ngọn núi Panamint Ridge và San Gabriel tại Mỹ; truyền dẫn Laser trongkhông gian được sử dụng với mục đích thương mại lần đầu tiên được xây dựng ở NhậtBản bởi công ty điện tử Nippon vào năm 1970 - là đường truyễn dẫn song công, sửdụng Laser He-Ne bước sóng 0.6328 μm, truyền thông tin giữa Yokohama vàTamagawa với khoảng cách 14km

Từ quãng thời gian này trở đi, công nghệ FSO tiếp tục được nghiên cứu và thửnghiệm mạnh mẽ, đặc biệt là trong thông tin quân sự FSO cũng đã và đang đượcnghiên cứu để sử dụng cho truyền thông trong vũ trụ bởi NASA và ESA với cácchương trình như là the Mars Laser Communication Demonstration (MLCD) và theSemiconductor-laser Inter-satellite Link Experiment (SILEX)

Trong vòng vài thập kỷ vừa qua, công nghệ FSO đã được nghiên cứu và chứngminh một cách thành công là có thể được sử dụng trong truyền thông vũ trụ giữa các

vệ tinh với tốc độ dữ liệu có thể lên tới 10 Gbps Mặc dù những kiến thức về các kỹthuật cần thiết để xây dựng một hệ thống thông tin FSO đã được nghiên cứu bởi nhiềunhà khoa học khác nhau trong nhiều năm liền

Tuy nhiên hệ thống thông tin FSO cho đến nay đây vẫn còn chưa được áp dụng

phổ biến bởi nhiều nguyên nhân khác nhau:

- Các hệ thống thông tin liên lạc đang tồn tại đã đủ để giải quyết các nhu cầuthông tin hiện thời

- Những nghiên cứu và phát triển đáng kể của công nghệ FSO cần phải được cảithiện độ tin cậy của các khối để đảm bảo độ tin cậy của toàn hệ thống

- Một hệ thống trong không gian luôn chịu ảnh hưởng bởi sự gián đoạn khi cómặt sương mù dày đặc

- Ngay cả khi sự ảnh hưởng của khí quyển có thể được bỏ qua, thì hệ thống FSOluôn yêu cầu phát hướng điểm chính xác và bộ phận đeo bám nhạy-là nhữngđiều vẫn chưa được giải quyết triệt để cho đến tận bây giờ

Tất cả những lý do đó giải thích tại sao cho đến tận bây giờ, công nghệ FSOvẫn chưa được sử dụng rộng dãi trong các mạng truy nhập

Hình 1.2 Chương trình MLCD của NASA

1.1.3 Ưu, nhược điểm của FSO

- Băng thông rất lớn: trong bất cứ hệ thống thông tin nào, lượng dữ liệu, thông tinđược truyền đi có liên hệ trực tiếp với băng thông của tín hiệu mang tin điều chế.Lượng băng thông cho phép có thể đạt tới 20% của tần số tín hiệu mang Sử dụng tínhiệu mang là bức xạ quang với khoảng tần số từ 1012-1016 Hz có thể cho băng thônglên tới 2000 Thz Vì thế mà so với những hệ thống thông tin vô tuyến, thông tin quangđảm bảo lưu lượng thông tin lớn hơn rất nhiều bởi vì tần số của tín hiệu mang tin làbức xạ quang lớn hơn rất nhiều so với tần số sóng mang vô tuyến

- Bán kính tia nhỏ: Bức xạ quang có bán kính tia cực kỳ hẹp, có nghĩa là công

suất phát chỉ phải tập trung trong một diện tích rất là hẹp Điều này cho phép mộtđường truyền FSO có sự cách ly không gian đủ để tránh nhiễu từ cách đường truyềnFSO khác Sự chiếm dụng về không gian rất hẹp cũng cho phép các tia laser hoạt độnggần như độc lập với nhau, vì thế nên khả năng sử dụng lại tần số gần như là vô hạntrong nhiều môi trường khác nhau Tuy nhiên, sự hẹp của bức xạ quang cũng đồngnghĩa với yêu cầu về đồng bộ thu phát rất cao.

- Phổ tần sử dụng không cần cấp phép: Trong thông tin vô tuyến, các sóng mang

có tần số gần nhau gây nhiễu lên nhau chính là vấn đề lớn nhất của thông tin vô tuyến

Để giảm thiểu vấn đề này, các tổ chức quản lý tài nguyên tần số được thành lập đểquản lý việc cấp phát và sử dụng tần số của các cá nhân, tổ chức Vì thế để được cấpphát một dải tần để sử dụng cần phải tốn rất nhiều chi phí và thời gian Hiện tại thì cáctần số quang không phải chịu sự quản lý này do các tín hiệu mạng là bức xạ quang hầunhư không gây nhiễu lên nhau ngay cả khi hai đường truyền quang có cùng tần số đặtcạnh nhau

- Rẻ: Giá thành để triển khai một hệ thống thông tin FSO rẻ hơn rất nhiều so vớimột hệ thống thông tin vô tuyến thông thường khi có tốc độ dữ liệu tương đương nhau.Điều này là do FSO không yêu cầu phí cấp phát dải tần sử dụng và các thành phầntrong đường truyền FSO cũng rẻ hơn nhiều Theo một nghiên cứu gần đây của Canada,giá của 1 Mbps trên một tháng của một hệ thống FSO rẻ bằng một nửa của hệ thống vôtuyến thông thường

- Nhanh chóng và dễ dàng triển khai cũng như tái sử dụng: thời gian cần thiết đểtriển khai một đường truyền FSO có thể chỉ vài giờ Yêu cầu chính là việc thành lậpmột đường truyền không bị cản trở về tầm nhìn giữa máy thu và máy phát Đườngtruyền FSO cũng có thể dễ dàng mang đi sử dụng ở khu vực các một cách nhanhchóng và dễ dàng

- An toàn thông tin cao: Mặc dù FSO là công nghệ không dây nhưng nó khôngphát quảng bá tới bất kỳ người nào và tất cả mọi người FSO phát búp sóng ánh sánghẹp, tần số rất cao tới một nơi xác định Do đó rất khó cho một cá nhân nào đó có thểthu trộm thông tin mà không bị phát hiện Các hệ thống FSO thường được lắp đặt càngcao càng tốt để các phương tiện giao thông qua lại không làm ảnh hưởng tới búp sóngquang Một con chim có thể làm gián đoạn việc truyền thông tin, nhưng điều đó chỉxảy 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 giandài.

Phải thừa nhận rằng việc đặt thiết bị thu trộm thông tin giữa hai khối FSO là rấtkhó khăn do kích thước búp quang rất hẹp, khó xác định được vị trí búp, búp lạithường 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 sửdụng các máy quay phim để giám sát việc lắp đặt thiết bị thu trộm và đường truyềncủa búp sóng quang để phát hiện bất cứ hoạt động khả nghi nào

Giới hạn cơ bản của FSO do môi trường truyền dẫn gây ra Với FSO truyềntrong môi trường khí quyển thì sự hoạt động của hệ thống FSO phụ thuộc rất nhiềuvào thời tiết và điều kiện khí quyển Sự không cố định về tính chất của kênh truyềnFSO là trở ngại lớn nhất trong việc triển khai một hệ thống FSO Tuy nhiên điều nàykhông xảy ra chỉ với FSO, các đường truyền vô tuyến hay thông tin vệ tinh cũng bịảnh hưởng bởi thời tiết và có thể bị mất liên kết trong điều kiện mưa lớn hay tuyết.Ngoài việc tuyết và mưa có thể làm cản trở đường truyền quang, FSO chịu ảnh hưởngmạnh bởi sương mù và sự hỗn loạn của không khí Những thách thức chính trong việcthiết kế hệ thống FSO:

Hình 1.3 Những thách thức đối với FSO

- Sự trôi búp

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

- Giữ thẳng hướng phát-thu khi tòa nhà dao động

Giữ thẳng hướng giữa khối phát và khối thu là rất quan trọng nhằm đảm bảo sựthành công của việc truyền tín hiệu Đây thực sự là vấn đề phức tạp khi sử dụng búpsóng hẹp phân tán góc và tầm nhìn (FOV) Sự dãn nhiệt của các phần khung tòa nhàhoặc những trận động đất yếu có thể gây ra sự lệch hướng Trong khi sự dãn nhiệt cóđặc tính chu kỳ theo ngày hoặc mùa thì động đất lại không thể dự đoán được Mộtnguyên nhân gây ra sự lệch hướng nữa là gió, đặc biệt khi các thiết bị thu phát đượcđặt trên các tòa nhà cao Sự dao động của tòa nhà là một quá trình ngẫu nhiên làm ảnhhưởng đến hiệu năng của hệ thống và gây ra lỗi

- Sự an toàn cho mắt

Với sự gia tăng của các hệ thống truyền thông quang vô tuyến sử dụng các búplaser hướng về các vùng dân cư mật độ cao, sự an toàn cho mắt là vấn đề đáng đượcquan tâm Những hệ thống FSO này phải an toàn đối với mắt, có nghĩa là chúng phảikhông gây nguy hiểm cho những người vô tình gặp phải các búp sóng quang Yêu cầunày rõ ràng sẽ tạo ra giới hạn trên cho cường độ búp sóng phát của laser Khi thiết kếcác hệ thống thông tin quang, người thiết kế phải đảm bảo rằng các bức xạ quang phải

an toàn và không được gây ra bất cứ tác hại nào cho những người mà tiếp xúc với nó.Các tia bức xạ quang có thể gây tổn thương cho cả da và mắt, tuy nhiên tác hại đối vớimắt là đáng ngại hơn cả bởi vì mắt có khả năng tập trung năng lượng quang Mắtngười có thể tập trung ánh sáng trong dải từ 0.4-1.4 μm Những dải bước sóng khác có

xu hướng bị hấp thụ bởi giác mạc của mắt trước khi năng lượng được tập trung

1.2 Các kiến trúc mạng được dùng trong FSO mặt đất

Các hệ thống FSO có thể được thiết kế và làm việc trong bất kỳ cấu hình mạngnào, bao gồm cấu hình lưới, điểm – điểm, điểm – đa điểm, vòng Việc này giúp chocác nhà cung cấp mạng khu vực đô thị dễ dàng xây dựng và mở rộng mạng tốc độ caotới các khách hàng

1.2.1 Kiến trúc mạng lưới

Một mạng lưới bao gồm một chuỗi các nút mạng được kết nối với nhau vớimức độ dư thừa nhất định cho việc dự phòng Trong những mạng kiểu này, mọi nútmạng đều được kết nối với các nút khác một cách trực tiếp hoặc thông qua một sốchặng Mức dư thừa trong mạng quyết định mức kết nối trong mạng Do đó, số lượngnút mạng càng nhiều thì mức dư thừa kết nối càng lớn, khả năng đảm bảo liên lạc càng

cao Kiến trúc mạng lưới có độ tin cậy cao, dễ thêm nút mạng nhưng bị giới hạn vềkhoảng cách.

Hình 1.4 Kiến trúc mạng lưới

1.2.2 Kiến Trúc Mạng Điểm – Đa Điểm

Kiến trúc điểm – đa điểm cung cấp kết nối với chi phí rẻ hơn và thuận tiện choviệc thêm nút mạng với chi phí về băng thông thấp hơn kiến trúc điểm – điểm

Hình 1.5 Kiến trúc mạng điểm- đa điểm

Trong kiến trúc mạng điểm – đa điểm một nút mạng đóng vai trò như một nútkhởi đầu và nhiều tuyến quang vô tuyến được bắt nguồn từ nút này Phương pháp hiệuquả nhất là nối mỗi tuyến FSO tới một thiết bị lớp 2 hoặc lớp 3 đặt trong một phòngcủa tòa nhà Sau đó các tuyến này được nối bằng sợi quang tới bộ chuyển mạch hoặcđịnh tuyến đặt ở vị trí bất kỳ trong tòa nhà, có thể là tầng trên cùng hay ở một phòngkhác

1.2.3 Kiến Trúc Mạng Nhiều Tuyến Điểm – Điểm

Hình 1.6 Kiến trúc điểm- điểm

Kiến trúc mạng nhiều tuyến điểm – điểm thích hợp cho những trường hợp cầntạo ra một tuyến mở rộng vượt quá giới hạn cự ly hoặc bị bắt buộc phải rút ngắn cự lytuyến quang do vấn đề thời tiết Đây là kiểu kết nối giành riêng với khả năng cung cấpbăng tần rộng hơn

1.2.4 Kiến Trúc Mạng Vòng

Hình 1.7 Kiến trúc mạng vòng

Trong kiến trúc mạng vòng, các nút mạng nối với nhau thông qua các tuyếnquang vô tuyến tạo thành vòng khép kín và có thể phân nhánh thành các tuyến điểm –điểm Kiến trúc mạng vòng có độ tin cậy cao hơn kiến trúc điểm – điểm và điểm – đađiểm Đồng thời, nó lại không phức tạp như kiến trúc mạng lưới

1.3 Mô hình hệ thống FSO

Cũng giống như bất kỳ một hệ thống thông tin nào khác, một hệ thống FSOcũng bao gồm 3 thành phần cơ bản: máy phát, kênh truyền dẫn và máy thu

Các thành phần chính trong hệ thống truyền thông quang không dây được minhhọa như trong hình 1.8

Hình 1.8 Sơ đồ khối của hệ thống truyền thống truyền thông quang không dây

1.3.1 Bộ phát

Dữ liệu đầu vào phía nguồn được truyền tới một đích ở xa Phía nguồn có cơchế 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 gócphân kỳ nhỏ nhất có thể đạt được từ hệ thống Phương thức điều chế được sử dụngrộng rãi tại bộ phát là điều chế cường độ (IM), trong đó cường độ phát xạ của nguồnquang sẽ được điều chế bởi số liệu cần truyền đi

1.3.2 Kênh truyền

Kênh truyền của một hệ thống FSO là kênh truyền tự do có thể trong môitrường nước, không gian, khí quyển Một kênh thông tin quang khác với kênh nhiễuGauss thông thường đó là trong kênh thông tin quang, tín hiệu truyền đi x(t) thể hiệncông suất chứ không phải biên độ Điều này dẫn đến hai giới hạn về tín hiệu đượctruyền:

- tín hiệu truyền đi phải không âm;

- giá trị trung bình của tín hiệu truyền đi không được vượt quá giá trị cực đạicủa công suất phát

1.3.3 Bộ thu

Tại phía thu, trường quang được tập trung lại và được tách, cùng với sự xuấthiện của xuyên nhiễu, méo tín hiệu, và bức xạ nền Bên phía thu, các đặc tính quantrọng là kích cỡ độ mở (aperture size) và số lượng photon, những đặc tính này xác địnhlượng ánh sáng được tập trung và phạm vi tách trường quang của bộ tách quang

1.4 Kết luận

Nội dung chương 1 đã giới thiệu khái quát về hệ thống truyền thông quang quakhông gian cũng như mô hình của hệ thống FSO Tương lai ngày càng đòi hỏi phải cócác giải pháp truyền dẫn tốc độ cao để đáp ứng yêu cầu của các doanh nghiêp, tổ chức

và cá nhân Các giải pháp cũng cần phải có chi phí hiệu quả, triển khai nhanh, truyềndẫn thông tin một cách an toàn và tin cậy FSO có thể đáp ứng các yêu cầu này và sẽđược sử dụng ngày càng nhiều trong tương lai

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ ỨNG DỤNG TIÊU BIỂU CỦA HỆ

THỐNG FSO

2.1 Ứng dụng trong thông tin mặt đất

Công nghệ FSO có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, trongcác mạng truy nhập và các mạng đô thị (metro networks) Khoảng cách từ hầu hếtnhững người sử dụng đầu cuối đến các mạng xương sống là ngắn (chỉ vào khoảng 1dặm trở lại) nên công nghệ FSO có thể là giải pháp lý tưởng cho vấn đề “nút thắt cổchai”, đóng vai trò như là cầu nối giữa mạng cáp quang xương sống và người sử dụngđầu cuối Dưới đây là một số lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu của FSO:

2.1.1 Kết nối tốc độ cao giữa các tòa nhà

Hiện nay, các doanh nghiệp đang gặp phải vấn đề quá tải lưu lượng mạng tạicác kết nối giữa các tòa nhà Với các doanh nghiệp sử dụng các mạng nội bộ dựa trêntiêu chuẩn Gigabit Ethernet, các kết nối 2.048 (hoặc 1.544) Mbit/s giữa các tòa nhà sẽlàm hạn chế lưu lượng kết nối Trong khi đó, các doanh nghiệp với yêu cầu số liệu lớnmong muốn truyền dẫn dung lượng cao giữa các trụ sở doanh nghiệp mà không sửdụng các kết nối sợi quang chi phí cao Việc lắp đặt sợi quang cũng phức tạp và tốnthời gian hơn Ngoài ra, việc xin cấp phép, vấn đề an ninh, đào rãnh, đặt cáp và yêucầu về môi trường cũng là các vấn đề trở ngại

Để loại bỏ các vấn đề 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 Cácgiải pháp FSO cho phép loại bỏ:

Hình 2.1 Kết nối tốc độ cao giữa các tòa nhà

Về mặt công nghệ, ứng dụng ít thách thức nhất là sử dụng FSO làm đườngtruyền số liệu kết nối các tòa nhà đô thị (kết nối giữa các mạng LAN) Trong ứng dụngnày, cự ly tuyến FSO từ vài trăm mét cho tới vài km, việc triển khai FSO đơn giản vàtốn 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 Internetvới nhà cung cấp hoặc các mạng khác Nó cũng có thể được sử dụng làm hệ thốngmạng vòng đô thị để cung cấp các kết nối tốc độ cao cho các doanh nghiệp FSO cóthể được dùng để mang lưu lượng của mạng di động từ antenna tới các thiết bị kháccủa mạng FSO thậm chí có thể dùng để truyền số liệu giữa một tàu vũ trụ ở xa và mộttrạm ở gần trái đất

2.1.2 Ứng dụng trong mạng truy nhập đầu cuối

FSO là giải pháp lý tưởng đề làm cầu nối về băng thông giữa người dùng đầucuối và mạng xương sống Thông tin cáp quang ở mạng xương sống có thể cung cấpbăng thông khổng lồ với tốc độ dữ liệu rất lớn

Tuy nhiên băng thông khổng lồ của thông tin quang trong các mạng lõi lạikhông thể được sử dụng hết bởi người sử dụng trong các mạng truy nhập Lý do là vìgiới hạn băng thông của công nghệ truyền dẫn trên cáp đồng được sử dụng phổ biến đểkết nối giữa người sử dụng và mạng cáp quang xương sống Điều này này dẫn đếnviệc tốc độ dữ liệu mà người dùng có thể sử dụng bị hạn chế rất nhiều, vấn đề nàyđược gọi là “nghẽn cổ chai ở mạng truy nhập” Đã có rất nhiều giải pháp được đưa ra

để giải quyết vấn đề này như: Internet cáp quang FTTH, công nghệ siêu băng rộngkhông dây UBW, công nghệ thông tin quang tự do FSO…Và công nghệ FSO là giảipháp hứa hẹn nhất bởi những ưu điểm như giá thành thiết kế, triển khai và sử dụng lạithấp, băng thông lớn, phổ tần không cần cấp phép…

Hình 2.2 FSO ứng dụng trong mạng truy nhập đầu cuối

Trên thực tế, đường truyền dẫn FSO với khoảng cách từ 50m đến vài km đãđược triển khai trên thị trường với tốc độ dữ liệu có thể từ 1 Mbps lên tới 10 Gbps

- Đường truyền dẫn dự phòng cho cáp quang: công nghệ FSO có thể được sửdụng để cung cấp đường truyền dự phòng trong trường hợp đường truyền cápquang chính gặp sự cố

- Dùng trong các mạng tế bào: Công nghệ FSO có thể được sử dụng làm đườngtruyền dẫn backhaul giữa các trạm gốc (BS) và các trung tâm chuyển mạch(switching centres) trong mạng thông tin di động 3G, 4G hoặc là để truyền dẫntín hiệu CDMA IS-95 từ các tế bào tới các trạm gốc

- Đường truyền dẫn tạm thời trong trường hợp thiên tai: Công nghệ FSO đượcứng dụng ở những nơi cần đến đường truyền dẫn tạm thời khi những đườngtruyền dẫn chính bị phá vỡ do thiên tai như động đất, núi lửa, sóng thần…FSOkhi đó có thể được sử dụng để kết nối cho 1 hội nghị

- Mạng truyền dẫn trong trường học: Công nghệ FSO đã được sử dụng để kết nốigiữa các khuôn viên của trường đại học, trung tâm nghiên cứu, và cung cấplink dự phòng với tốc độ tương đương FAST-Ethernet hoặc có thể lên tớiGigabitEthernet

- Ứng dụng ở những nơi địa hình khó khăn: Công nghệ FSO là một giải pháp tốt

để dùng làm cầu nối về dữ liệu qua những khoảng cách như là vượt qua một

con sông, qua một đường phố rất đông đúc, qua đường ray xe lửa hoặc nhưngnơi mà đường nối trực tiếp là không thể thực hiện được hoặc quá đắt để thựchiện

- Truyền hình với độ nét cao (HD): Do yêu cầu khổng lồ về băng thông của máyquay độ nét cao và tín hiệu truyền hình với độ nét cao, công nghệ FSO ngàycàng được sử dụng nhiều ở ngành công nghiệp truyền hình dùng để truyền tínhiệu trực tiếp từ máy quay có độ nét cao (HD) ở các trạm di động tới trung tâmtruyền hình (Truyền hình trực tiếp)

2.1.3 Ứng dụng trong trao đổi thông tin cá nhân

Truyền thông quang không dây với khoảng cách ngắn đã được nghiên cứu vàứng dụng mạnh mẽ trong trao đổi thông tin giữa các thiết bị cá nhân trong vòng vàithập kỷ gần đây Bên cạnh những ưu điểm như băng thông khổng lồ, phổ tần khôngcần đăng ký thì còn một ưu điểm nữa khiến cho thông tin quang không dây thích hợpcho trao đổi thông tin giữa các thiết bị cá nhân đó là an toàn cho sức khỏe và an toànthông tin cao

Nguyên nhân là do khoảng cách ngắn, yêu cầu công suất phát bức xạ quangthấp Hơn thế nữa, các thiết bị sử dụng công nghệ FSO không gây can nhiễu lên các hệthống thông tin vô tuyến khác Các ứng dụng trong điều khiển, trao đổi thông tin quagiữa các điện thoại…đều có thể ứng dụng được công nghệ truyền thông quang khôngdây

2.2 Ứng dụng trong thông tin vệ tinh

Sóng vô tuyến thường được sử dụng để truyền thông tin giữa các vệ tinh vàgiữa các vệ tinh với trạm mặt đất Tuy nhiên, xu hướng mới trong thông tin vệ tinhđang được phát triển gần đây đó là sử dụng bức xạ quang laser làm tín hiệu mang tinthay cho sóng vô tuyến

Hình 2.3 FSO trong thông tin vệ tinh

Cơ quan vũ trụ Châu âu (ESA) trong dự án SILEX đã sử dụng đường truyềndẫn quang không dây 50 Mbps để trao đổi thông tin hai lần một ngày giữa một vệ tinhtầm thấp (LEO) và một vệ tinh địa tĩnh (GEO) từ năm 2003

Chương trình thông tin liên quỹ đạo giữa các vệ tinh sử dụng bức xạ quang(OICETS) đã được nghiên cứu và phát triển bởi cơ quan thăm dò vũ trụ Nhật Bản(JAXA) trong năm 2005

Chính vì thế, xu hướng mới trong thông tin vệ tinh là sử dụng thông tin quangkhông dây để phục vụ nhiều mục đích trong không gian khác nhau Dưới đây sẽ trìnhbày một số hoạt động cần thiết trong không gian sử dụng thông tin quang không dây:

2.2.1 Phục vụ các hoạt động của con người trong không gian

Trong tương lai gần, không chỉ phi hành gia mà những người bình thường cũng

sẽ có cơ hội du lịch trên không gian vũ trụ bằng tàu vũ trụ Du lịch vũ trụ phát triển,điều tất yếu là sẽ yêu cầu có kết nối internet tốc độ cao trên các tàu vũ trụ và các trạm

vũ trụ

Trên các trạm vũ trụ như trạm vũ trụ quốc tế (ISS), các phi hành gia và cácchuyên gia cũng cần có những phương tiện giải trí như ở mặt đất Ví dụ như, để giảitỏa căng thẳng và giải trí, các phi hành gia và các chuyên gia cũng cần xem các bộphim nổi tiếng, các bài hát hay…như ở dưới mặt đất Điều này hoàn toàn có thể thựchiện nếu sử dụng thông tin quang không dây

Nếu sử dụng đường truyền quang 1 Gbps, chúng ta có thể gửi lên trên vũ trụnhững bộ phim, bản nhạc mới nhất chỉ trong vòng vài phút Và điều quan trọng hơn,

đó là các nhà khoa học có thể gửi được những số liệu thu thập và kết quả nghiên cứumột cách tức thời từ trên trạm vũ trụ xuống mặt đất và ngược lại.

Truyền thông quang không dây đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng đểthực hiện những mục đích đó

2.2.2 Truyền dữ liệu từ những vệ tinh quan sát

Rất nhiều vệ tinh quan sát trái đất đã được phát triển phục vụ cho việc dự báothời tiết và thăm dò trái đất Để việc đo đạc được chính xác hơn, độ phân giải từ cáccảm biến phải càng cao và như vậy tần suất và phạm vi quan sát càng lớn hơn Vì thếyêu cầu tốc độ truyền dẫn dữ liệu từ vệ tinh đến trạm mặt đất phải lớn hơn Thông tinquang không dây có thể đáp ứng được điều này

Hình 2.4 Truyền dẫn quang không dây từ vệ tinh tới trạm mặt đất

2.2.3 Trao đổi thông tin giữa tàu vũ trụ và các vệ tinh

Trong rất nhiều tàu vũ trụ, kết nối internet hoàn toàn có thể thực hiện được Cáctàu vũ trụ sử dụng bằng Ku cho việc kết nối Tốc độ truyền dẫn dữ liệu tối đa hiện tại

là 20Mpbs khi truyền từ các vệ tinh tới tàu vũ trụ và 1Mbps khi truyền từ các tàu vũtrụ tới vệ tinh Với tốc độ truyền dẫn như vậy, cản trở rất lớn khi yêu cầu trao đổithông tin tức thì hoặc khi yêu cầu truyền dẫn dữ liệu dung lượng lớn Chính vì thế màcông nghệ truyền dẫn quang không dây đã và đang được nghiên cứu và ứng dụngtrong truyền dẫn giữa các vệ tinh, giữa vệ tinh và các tàu vũ trụ…

CHƯƠNG 3: CÁC VẤN ĐỀ TRONG VIỆC THIẾT KẾ TUYẾN

QUANG KHÔNG DÂY

3.1 Giới thiệu chương

Chương này giới thiệu các vấn đề chi tiết hơn trong việc xây dựng vận hành vàtối ưu 1 tuyến quang không dây – ứng dụng đặc trưng nhất của hệ thống quang khôngdây như sau:

• Các phần cần có trong 1 tuyến quang

• Yếu tố ảnh hưởng, đánh giá, nâng cao chất lượng tuyến quang không dây

• Đặc điểm đường truyền trong FSO

• Vấn đề lựa chọn tần số

3.2 Đặc điểm, yêu cầu của bộ phát

Yêu cầu quan trọng của hệ thống là kích thước và phẩm chất

• Kích thước bề mặt laser xác định công suất ra lớn nhất an toàn có thể giảmnhững ảnh hưởng khi có vật cản (như chim bay ngang qua)

• Phẩm chất của thiết bị cùng với số F (xác định trường nhìn) và bước sóng, xácđịnh độ phân tán của chùm laser ở phía thu

Lựa chọn những bộ phát có những tham số gần với những thiết bị phát củamạng cáp quang nhằm giảm giá thành và khâu chuẩn bị thiết bị trong quá trình thiết

kế Thiết bị phát phải có công suất lớn, đảm bảo an toàn với mắt người Thường sửdụng theo chuẩn phân loại sau:

Bảng 3.1 Phân loại độ an toàn laser của bộ phát nguồn

Bộ phát thường sử dụng laser diode vì nó phổ biến trên thị trường và đáp ứngnhững bước sóng mong muốn.

Những tham số then chốt cần phải xem xét trong quá trình thiết kế: bước sóng

λ, công suất P0, thời gian lên tr , thời gian xuống tf

LD phát chùm ánh sáng cường độ cao dựa trên dòng ngưỡng đầu vào, hoạtđộng phụ thuộc nhiệt độ T Hình 3.1 thể hiện 2 đặc tuyến của cường độ ánh sángđầu ra trên dòng đầu vào ở hai điều kiện nhiệt độ khác nhau T1 và T2 (T1 < T2) Ta

thấy, dòng ngưỡng I th dịch sang phải ở nhiệt độ T2 Dòng ngưỡng này là hàm củanhiệt độ:

(3.1)Trong đó I0, K1, T1 là những hằng số cho từng laser cụ thể Ví dụ, laserDBF có I0=1.8mA, K1=3.85mA và T1=40oC

Hình 3.1 Dòng laser, điện áp thuần và công suất quang đầu ra

Hình 3.1 cho thấy khi nhiệt độ tăng từ T1 lên T2 thì đặc tuyến của Laser thayđổi Ở đây ta thấy độ dốc giảm và dòng Ith tăng làm cho hiệu suất của Laser giảm

Quá trình điều chế làm việc như sau: ta duy trì một dòng phân cực qua LD đủbằng Ith, khi truyền bit ‘1’ dòng phân cực tăng lên (Ith +I0) tạo phát xạ lớn đầu ra Cònkhi truyền bit ‘0’ thì dòng vẫn giữ nguyên hoặc có tăng nhưng chưa đủ như ở mức ‘1’thì không có tín hiệu Có nhiều phương pháp điều chế nhưng phương pháp điều chếcường độ IM hay OOK phù hợp với tính đặc tính này nhất

Ngoài cách thức điều chế và công suất, thì vấn đề tần cũng quan trọng cho việclựa chọn thiết bị Có 2 cửa sổ tần số mà thường được dùng trong LASER có bước sóng780-925nm và 1525-1580nm

Hình 3.2 Điều chế IM ở hai nhiệt độ khác nhau

Hệ thống FSO phải đạt được các chỉ tiêu sau:

• Khả năng hoạt động ở tần số cao (quan trọng đối với hệ thống FSOkhoảng cách xa)

• Sự điều chế tốc độ cao (quan trọng đối với hệ thống FSO tốc độ cao)

• Vùng phủ nhỏ và công suất tiêu thụ nhỏ (điều này luôn quan trọng trongtất cả các hệ thống)

• Có khả năng hoạt động trong phạm vi nhiệt độ lớn mà không giảm hiệusuất đáng kể (quan trọng đối với hệ thống ngoài trời)

• Thời gian trung bình giữa 2 lần bị sự cố là hơn 10 năm

Để thỏa mãn yêu cầu trên, ta thường sử dụng Laser phát xạ mặt với bộ cộnghưởng thẳng đứng (VCSELs) dùng cho phạm bước sóng hồng ngoại ngắn và Laser FDhay DFB dùng cho phạm vi bước sóng hồng ngoại dài Các loại Laser khác là khôngthích hợp cho hệ thống FSO hiệu suất cao

Hình 3.3 Cấu tạo Laser VCSEL

3.3.2 Bộ khuếch đại

Nguồn khuếch đại, như EDFAs và các bộ khuếch đại bán dẫn (SOAs), được sửdụng để nâng công suất của các nguồn Laser công suất thấp Công nghệ EDFAs vàSOA cũng có thể khuếch đại 1 bước sóng và đa bước sóng đồng thời, cái mà được biết

là ghép kênh phân chia bước sóng (WDM) Với độ lợi có thể lớn hơn 30dB, EDFAs cóthể tạo ra công suất ra ở bước sóng 1550nm của 1 hệ thống FSO lên khoảng 1W đến2W Ở thời điểm hiện tại EDFAs có thể giá thành còn khá cao, và mục đích sử dụngcủa chúng ta hướng tới hệ thống hoạt động ở tốc độ 1 Gbps

3.3 Đặc điểm, yêu cầu của bộ thu

So với thiết bị phát ánh sáng, bộ phận thu có nhiều giới hạn hơn Hai hệ thốngtách sóng thông thường nhất dùng trong phạm vi phổ gần hồng ngoại dựa trên côngnghê silicon hay InGaAs Tất cả các thiết bị có 1 đáp ứng phổ khá rộng, và không nhưLaser, chúng không hoạt động ở 1 khoảng bước sóng đặc biệt Nếu ta cần giải điều chế

1 bước sóng đặc biệt trong hê thống WDM, thì các bộ lọc bước sóng bên trong sẽ kếthợp chặt chẽ vào trong thiết kế

3.3.1 Bộ tách sóng các bước sóng ngắn (hồng ngoại 1330nm)

Silicon là thường được sử dụng là vật liệu tách sóng trong vùng bước sóng gầnhồng ngoại và thấy được Công nghệ silicon là rất hoàn thiện, và thiết bị thu silicon cóthể tách được tín hiệu của các ánh sáng ở mức cực thấp

Cũng như phần lớn vật liệu tách sóng băng rộng, Silicon có 1 đáp ứng phổ độclập với bước sóng hoạt động của bộ phát Bộ tách sóng dựa trên Silicon thường có 1đáp ứng nhạy cao tại bước sóng 850nm, tạo ra bộ tách sóng lí tưởng sử dụng cùng với

bộ phát xạ VCSELs bước sóng ngắn 850nm Tuy nhiên độ nhạy của nó giảm nhanhkhi ở vùng bước sóng 1µm Như kết quả thực nghiệm, 1100nm đánh dấu bước sóngcắt của bộ tách sóng dùng silicon, và nó không thể hoạt động ngoài vùng này Bộ táchsóng silicon có thể hoạt động ở băng thông rất lớn, một ứng dụng hiện tại là khoảng10Gbps Có 2 bộ tách sóng thông dụng: PIN silicon (Si-PIN) và APD (Si-APD)

• Si-PIN với bộ khuếch đại đổi tần tích hợp cũng rất thông dụng Trong các bộtách sóng này, thì độ nhạy là 1 hàm của băng thông tín hiệu điều chế, và độnhạy sẽ giảm khi băng thông tách sóng tăng lên Giá trị độ nhạy thôngthường của Si-PIN là khoảng -34dB ở tốc độ 155Mbps

• Si-APD có độ nhạy cao hơn vì tiến trình khuếch đại bên trong Vì vậy bộ

tách sóng Si-APD là hữu ích hơn trong FSO Độ nhạy cho các ứng dụngbăng thông rộng, có thể thấp hơn -55dBm ở tốc độ vài Mbps, -52dBm ở tốc

3.3.2 Bộ tách sóng các bước sóng dài (hồng ngoại 1550nm)

InGaAs là vật liệu thường dùng cho việc tách sóng các bước sóng dài Tương tựnhư Silicon, InGaAs là 1 vật liệu tách sóng băng thông rộng, và đáp ứng phổ hay hiệuứng lượng tử cơ bản là phụ thuộc vào bước sóng giải điều chế

Các thập niên trước, đặc tính của bộ tách sóng InGaAs về độ nhạy, băng thônghữu dụng và các kỹ thuật sợi quang bước sóng 1550 nm đã liên lục được phát triển.Gần 100% hệ thống sợi quang sử dụng InGaAs là vật liệu tách sóng

Về mặt kinh tế, bộ tách sóng InGaAs là có thể tối ưu cho bước sóng 1310 nmhoặc 1550 nm Vì độ nhạy giảm nghiêm trọng ở các bước sóng ngắn nên InGaAskhông dùng cho việc tách sóng ở phạm vi bước sóng 850nm

Lợi ích lớn nhất của bộ tách sóng InGaAs là khả năng hoạt động ở băng thôngcực lớn kết hợp với đáp ứng phổ cao ở bước sóng 1550 nm Hầu hết các bộ thuInGaAs sử dụng công nghệ PIN hay APD Cũng như slicon, InGaAs APD có độ nhạycao hơn vì tiến trình khuếch đại bên trong Giá trị độ nhạy băng thông cao -46dBm ởtốc độ 155Mbps, hay -36dBm cho tốc độ 1,25 Gbps; mặc dù kích thước của bộ táchsóng InGaAs là nhỏ hơn so với thiết bị tương tự cho silicon Điều này làm cho việc nốikết ánh sáng gặp nhiều khó khăn hơn