NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG QUANG VÔ TUYẾN FSO TRONG HỆ THỐNG GIAO THÔNG THÔNG MINH ITS

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG QUANG VÔ TUYẾN FSO TRONG HỆ THỐNG GIAO THÔNG THÔNG MINH ITS NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG QUANG VÔ TUYẾN FSO TRONG HỆ THỐNG GIAO THÔNG THÔNG MINH ITS NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG QUANG VÔ TUYẾN FSO TRONG HỆ THỐNG GIAO THÔNG THÔNG MINH ITS NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG QUANG VÔ TUYẾN FSO TRONG HỆ THỐNG GIAO THÔNG THÔNG MINH ITS

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG QUANG VÔ TUYẾN FSO TRONG HỆ THỐNG GIAO THÔNG

THÔNG MINH ITS

DANH MỤC HÌNH VẼ VIII DANH MỤC BẢNG BIỂU X LỜI NÓI ĐẦU XI

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ITS 1

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1.1 Khái ni m ITS ệ 1

1.1.2 L ch s hình thành và phát tri n ị ử ể 1

1.1.3 C u trúc c b n c a ITS ấ ơ ả ủ 2

1.1.3.1 Phương tiện giao thông thông minh 3

1.1.3.2 Hạ tầng giao thông thông minh 5

1.1.4 L i ích c a ITS ợ ủ 7

1.2 HỆ THỐNG THÔNG TIN LIÊN LẠC TRONG ITS 9

1.2.1 H th ng thuy n d n ệ ố ề ẫ 9

1.2.1.1 Truyền dẫn vô tuyến 9

1.2.1.2 Truyền dẫn hữu tuyến 13

1.2.2 H th ng đi u khi n ệ ố ề ể 14

1.2.2.1 Chức năng 14

1.2.2.2 Công nghệ 16

1.3 ITS Ở VIỆT NAM 17

1.3.1 Các công trình đã đang th c hi n ự ệ 17

1.3.2 Các công trình sẽ th c hi n ự ệ 19

2.1 LỊCH SỬ RA ĐỜI CỦA FSO 22

2.2 MÔ HÌNH CẤU TRÚC 22

2.2.1 Các lo i sóng ánh sáng ạ 23

2.2.2 Các ngu n sáng đ c nghiên c u và s d ng trong FSO ồ ượ ứ ử ụ 24

2.3 BỘ PHÁT 24

2.3.1 Ch c năng ứ 24

2.3.2 C u t o ấ ạ 25

2.3.2.1 Sơ đồ khối 25

2.3.2.2 Các thành phần trong khối 25

2.3.3 Các thông s yêu c u ố ầ 32

2.4 BỘ THU 32

2.4.1 Ch c năng ứ 32

2.4.2 C u t o ấ ạ 32

2.4.2.1 Sơ đồ khối 32

2.4.2.2 Các thành phần trong khối 33

2.4.3 Đi u ch ề ế 35

2.4.4 Gi i đi u ch ả ề ế 36

2.5 MÔI TRƯỜNG TRUYỀN 37

2.5.1 Mã hóa kênh truy n ề 39

2.5.2 Các mô hinh nhi u lo n trên đ ng truy n ễ ạ ườ ề 40

2.5.2.1 Mô hình nhiễu loạn log-normal 42

2.5.3.1 Các hiện tượng 48

2.5.3.2 Các yếu tố ánh hưởng đến chất lượng kênh truyền 51

2.6 MỘT VÀI THÔNG SỐ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG 52

2.7 PHƯƠNG PHÁP CẢI THIỆN HIỆU NĂNG 55

2.7.1 S d ng các ph ng pháp đi u ch khác ử ụ ươ ề ế 55

2.7.2 K t h p nhi u ph ng pháp ế ợ ề ươ 56

2.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG 57

CHƯƠNG 3 KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA FSO TRONG ITS 58

3.1 CÁC TÍNH TOÁN CHO VIỆC TRIỂN KHAI FSO TRONG ITS 58

3.1.1 Quy ho ch tuy n l p tr m, trung tâm đi u khi n ạ ế ắ ạ ề ể 58

3.1.2 Các thông s kỹ thu t c a tuy n truy n ố ậ ủ ế ề 61

3.1.2.1 Tính toán thông số kỹ thuật 61

3.1.2.2 Chi phí lắp đặt, thời gian thi công 66

3.2 KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA FSO TRONG ITS 67

3.2.1 So sánh v i h thông vô tuy n đi n và quang h u tuy n ớ ệ ế ệ ữ ế 67

3.2.2 Nh n xét ậ 69

3.2.3 Khuy n gh , đ xu t ế ị ề ấ 70

3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 71

KẾT LUẬN ĐỀ TÀI 73

1 TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỀ TÀI 73

2 NHỮNG HẠN CHẾ CỦA ĐỒ ÁN 74

3.HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN 74

HÌNH 1-2: PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG THÔNG MINH 4

HÌNH 1-3: MỘT VÀI THIẾT BỊ THÔNG TIN CƠ BẢN ĐƯỢC TÍCH HỢP TRÊN PHƯƠNG TIỆN 5

HÌNH 1-4: HỆ THỐNG HẠ TẦNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG 6

HÌNH 1-5: HỆ THỐNG THÔNG TIN LIÊN LẠC KẾT HỢP VỚI HẠ TẦNG XÂY DỰNG TRONG ITS 7

HÌNH 1-6: TRẠM THU PHÁT SÓNG ĐIỆN TỪ CƠ BẢN 9

HÌNH 1-7: MẠNG VANET ĐƯỢC ỨNG DỤNG TRONG ITS 11

HÌNH 1-8: MÔ HÌNH TRUYỀN NHẬN THÔNG TIN QUANG VÔ TUYẾN 12

HÌNH 1-9: MÔ HÌNH TRUYỀN TIN BẰNG CÁP ĐỒNG TRỤC 13

HÌNH 1-10: ĐƯỜNG TRUYỀN CÁP QUANG GIỮA HAI TRẠM 14

HÌNH 1-11: MÔ HÌNH TRUNG TÂM ĐIỀU HÀNH ITS 16

HÌNH 1-12: MÀN HÌNH HIỆN THÌ TRONG TRUNG TÂM ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU GIAO THÔNG HÀ NỘI 17

HÌNH 1-13: HỆ THỐNG ITS Ở CAO TỐC LONG THÀNH- DẦU GIÂY 18

HÌNH 2-1: MÔ HÌNH CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA FSO 23

HÌNH 2-2: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MÁY PHÁT 25

HÌNH 2-7: SƠ ĐỒ KHỐI BỘ THU QUANG 32

HÌNH 2-8: ĐIỀU CHẾ KHÓA ĐÓNG MỞ OOK 35

HÌNH 2-9 SƠ ĐỒ KHỐI GIẢI ĐIỀU CHẾ QUANG TRỰC TIẾP 37

HÌNH 2-10: MÔI TRƯỜNG TRUYỀN QUANG 38

HÌNH 2-11: BIỂU DIỄN MÃ NRZ 40

HÌNH 3-1: SƠ ĐỒ QUY HOẠCH LẮP ĐẶT FSO TRÊN ĐỊA BÀN TRUNG TÂM

QUÂN 1 60

HÌNH 3-2: BĂNG THÔNG VÀ DUNG LƯỢNG KÊNH 61

HÌNH 3-3: TỈ SỐ SNR TRONG MÔI TRƯỜNG NHIỄU NHIỆT 62

HÌNH 3-4: SNR TRONG MÔI TRƯỜNG CÓ NHIỄU LƯỢNG TỬ 63

HÌNH 3-5: SNR TRONG MÔI TRƯỜNG NHIỄU NỀN VÀ NHIỄU NHIỆT 64

HÌNH 3-6: ẢNH HƯỞNG CỦA BĂNG THÔNG LÊN BER 65

HÌNH 3-7: ẢNH HƯỞNG CỦA KHOẢNG CÁCH LÊN CÔNG SUẤT THU 70

BẢNG 2-2: MỘT SỐ NGUỒN QUANG 31 BẢNG 2- 3: BẢNG SO SÁNH GIỮA PIN VÀ APD 34 BẢNG 2-4: BÁN KÍNH VÀ VÀ CÁC LOẠI TÁN XẠ CỦA MỘT SỐ HẠT TẠI BƯỚC SÓNG 850NM 49 BẢNG 2-5: GIÁ TRỊ DÃI TẦM NHÌ TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN THỜI TIẾT 50 BẢNG 3-1: SỐ LƯỢNG MÁY THU PHÁT QUANG CỦA MỖI TRẠM 66

Ngày nay, hệ thống giao thông thông minh là xu thế của cả thế giới ITS là một hệthống giao thông mà ở đó người và phương tiện di chuyển sẽ biết được tất cả thông tintức thời về những vấn đề trong lộ trình của hành trình, từ đó tạo nên sự chủ động trongviệc đưa ra quyết định tối ưu trong quá trình tham gia giao thông Sự thông minh tạonên sự hiện đại, thuận tiện, và mỹ quan cho giao thông đô thị Để xây dựng nên hệthống giao thông thông minh thì các thành phần cấu thành nên nó cũng phải đảm bảotính thông minh, hầu hết chúng được ứng dụng một cách tối ưu sự phát triển của cuộccách mạng công nghiệp lần thứ 4

Trong hệ thống giao thông thông mình, cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc đóng vai trò cực

kì quan trọng, đảm bảo cho thông tin dữ liệu được lưu thông một cách liên tục, an toàn

và nhanh nhất có thể Để đáp ứng được các tiêu chí cho ITS, thì FSO (Free SpaceOptical) - hệ thống truyền thông quang không dây là một lựa chọn tối ưu cho hạ tầngtruyền dẫn FSO chỉ sử dụng các kết nối trực tiếp từ bộ phát đến bộ thu trong môitrường không gian tự do Do cự ly truyền dẫn xa, chịu ảnh hưởng nhiều của môi trườngtruyền dẫn ngoài trời nên việc triển khai hệ thống FSO vẫn còn hạn chế Các tuyếnFSO cự ly ngắn có thể sử dụng để thay thế cho các tuyến truyền dẫn vi ba nhằm cungcấp mạng truy nhập băng rộng, sử dụng làm đường kết nối thay thế tạm thời cho cáctuyến cáp quang bị sự cố Tuy nhiên, để có thể đáp ứng yêu cầu truyền thông băngrộng, cự ly xa; hệ thống FSO cần vượt qua các thách thức đến từ những ảnh hưởng củamôi trường không gian tự do như suy hao truyền dẫn lớn và phụ thuộc môi trường,thời tiết (sương mù, mưa, tuyết); sự thăng giáng cường độ tín hiệu và phân cực tín hiệu

do các ảnh hưởng của nhiễu loạn không khí và sự lệch hướng Do ảnh hưởng của cácyếu tố nêu trên, hiệu năng của các hệ thống FSO còn bị hạn chế khi truyền dẫn số liệutốc độ cao, cự ly xa

Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, em đã chọn đề tài NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG QUANG VÔ TUYẾN FSO TRONG HỆ THỐNG

đời, các lợi ích nổi bậc và cấu trúc của hệ thống giao thông thông minh Bên cạnh đó,

đồ án cũng giới thiệu về cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc của ITS, và khái quát về thựctại của ITS ở Việt Nam

Chương 2: Nghiên cứu cấu trúc, chức năng, hoạt động của hệ thống thông tin quang vô tuyền (FSO) Trong chương này, đồ án sẽ giới thiệu mô hình cấu trúc của

FSO, các mô hình nhiễu loạn, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng đường truyền, cácthông số kĩ thuật đánh giá hệ thống, đồng thời trình bài một vài phương pháp cải thiệnchất lượng đường truyền

Chương 3: Khả năng ứng dụng của FSO trong ITS Nội dung chính của chương này

là thực hiện xây dựng một hệ thống truyền thông quang không dây trong một khu vựcgiao thông cụ thể Việc tính toán bao gồm chi phí, các thông số kỹ thuật, vị trí lắp đặt.Đồng thời sẽ so sánh chúng với hệ thống truyền dẫn vô tuyến điện và quang sợi

Phần kết luận: phần này, đồ án tóm tắt những nội dung chính đã thực hiện được,

đồng thời nêu lên những hạn chế chưa giải quyết để đưa ra hướng nghiên cứu tiếp theo

Đồ án này là kết quả của quá trình tìm hiểu, học tập, nghiên cứu, và chọn lọc nội dungkiến thức dựa trên những nghiên cứu của các bài báo, tạp chí, công trình nhiên cứukhoa học được công bố quốc tế Trong quá trình đọc, nếu phát hiện các điểm chưađúng hoặc thiếu sót, thì rất mong nhận được sự góp ý, đánh giá của mọi người

Xin chân hành cảm ơn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ITS

1.1 Giới thiệu chung [2, 5, 6]

1.1.1 Khái niệm ITS

ITS là viết tắt của cụm từ Intelligent Transport System (hệ thống giao thông thôngminh) Hệ thống giao thông thông minh là một hệ thống giao thông chủ động; kết nốitoàn diện, đồng bộ giữa cơ sở hạ tầng xây dựng bao gồm hệ thồng đường sá, đèn giaothông, đèn chiếu sáng, bảng quang báo, trạm thu phí, với các thành phần tham gia giaothông (phương tiện cá nhân, phương tiện công cộng, phương tiện chuyên dụng, người

đi bộ) thông qua việc ứng dụng khoa học, công nghệ hiện đại Nếu được áp dụng mộtcách đúng đắn, và rộng rãi thì ITS hoàn toàn có khả năng giải quyết các vấn đề nhứtnhối trong giao thông hiện nay tại các thành phố lớn nhất là nạn ùn tắt, tai nạn giaothông và ô nhiễm môi trường, đồng thời giúp các cơ quan quản lý nắm rành mạch tìnhhình giao thông trong khu vực trách nhiệm từ đó nhanh chóng, dễ dàng thực hiện côngtác giải quyết vấn đề, sự cố giao thông

1.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển

Hệ thống giao thông thông minh xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1980 ở Nhật Đến năm

1993 hội nghị mang tầm vốc quốc tế đầu tiên về ITS được tổ chức, thu hút sự tham giacủa các chuyên gia về giao thông cùng với các nhà sản xuất, chế tạo phương tiện giaothông từ nhiều nước trên thế giới Kể từ sau đó ITS đã sử dụng thành quả của cácngành công nghệ liên quan để giải quyết các vấn đề về giao thông, trong đó đáng chú ý

là ngành điện tử viễn thông, công nghệ thông tin, và xây dựng Kế hoạch nghiên cứu và

áp dụng Đơn cử là tự động hóa các trạm thu phí, cung cấp thông tin cho người thamgia giao thông, quản lí các trục đường chính và các trục đường cao tốc, vận hành vàkhai thác có hiệu quả các công trình giao thông công cộng như xe buýt, tàu điện ngầm,

hệ thống đèn giao thông Cùng với đó là sự hiện đại và tính tự động ngày càng caotrong phương tiện di chuyển, đặc biệt là ô tô Các nước cũng bắt đầu thành lập cáctrung tâm điều hành ITS, những trung tâm này thực hiện các nhiệm vụ như thu thập dữliệu từ mạng lưới giao thông cung cấp cho các phương tiện tham gia giao thông; nghiêncứu, xử lí cơ sở dữ liệu để đầu tư phát triển ITS, xác lập giải pháp hữu hiệu cho ngườitham gia giao thông

Đến năm 2008, hội nghị ITS quốc lần thứ 15 được tổ chức tại NewYork (Mỹ) đánh dấucột mốc phát triển mới của ITS, tại đây nhiều công trình nghiên cứu và các thiết bị, hệthống tiên tiến, hiện đại được giới thiệu nhằm giải quyết các vấn đề cũ như kẹ xe, giảmtai nạn, và các vấn đề mới là bảo vệ môi trường

1.1.3 Cấu trúc cơ bản của ITS

Hình 1-1: Cấu trúc điển hình của ITS [5]

Một hệ thống giao thông thông thường gồm ba yếu tố cơ bản, đó là con người, phươngtiện giao thông, và hạ tầng giao thông Ở hệ thống naỳ thì con người đóng vai trò vận

hành chính, các điều kiện an toàn ở chế đô thụ động, bảo vệ, giảm hậu quả là chính.Trong hệ thống giao thông thông minh, thì thành phần cấu thành cũng gồm ba yếu tốtrên, thế nhưng phương tiện giao và hạ tầng giao thông trở nên thông minh hơn, chuyển

từ chế độ bảo vệ và hệ thống an ninh thụ động sang hướng phòng ngừa và các hệ thống

an toàn chủ động Qua đó xóa bỏ dần sự điều khiển của con người, tiến dần đến mộtmôi trường giao thông mang tính tự động hóa cao Khí đó yếu tố cốt lõi của hệ thốnggiao thông thông minh là phương tiện giao thông thông minh và hạ tầng giao thôngthông minh Cấu trúc của ITS được thể hiện một cách tương đối trực quan thông quaHình 1-1 Hình này đã cho thấy được sự kết nối giữa các phương tiện tham gia giaothông với nhau, giữa phương tiện với đường sá, và giữa phương tiện với các khu vựccông cộng như bệnh viện, trạm nhiên liệu, bãi đỗ xe Thông tin về những đối tượngtrên được thu thập và truyền đi nhờ những trạm thu phát sóng đặt dọc theo các thuyếnđường và trên các phương tiện

1.1.3.1 Phương tiện giao thông thông minh

Phương tiện giao thông thông mình là một phần quan trong trong ITS, một phương tiệngiao thông thông minh phải đảm bảo tiêu chuẩn cao về vấn đề an toàn, chủ động trongtiếp nhận, xử lý và truyền tải thông tin

Một phương tiện thông minh, bên cạnh những hệ thống an toàn được các hãng tích hợptrên xe thì các phương tiện phải được tích hợp thêm các thiết bị có thể truyền nhận tinvới hệ thống mạng hạ tầng, và với các phương tiện khác Tùy theo hệ thống thông tinliên lạc là quang hay vô tuyến mà thiết bị được tích hợp trong xe được thiết kế, lựachon cho phù hợp Thể hiện qua các mặt sau:

- Về mặt an toàn, các phương tiện phải được tích hợp các hệ thống cảnh báo vachạm, cảnh báo người lái, hệ thống chóng va chạm tự động

Hình 1-2: Phương tiện giao thông thông minh [6]

- Về mặt tiếp nhận thông tin, các phương tiện phải có hệ thống màn hình hiển thị và

âm thanh sẳn sàn cho việc phản ánh thông tin nhanh chóng đến láy xe để xử lý kịpthời các sự vố, vấn đề khi tham gia giao thông

- Về mặt thông tin liên lạc thì các thiết bị mạng phải đảm bảo sao cho kết nối luônđược dùy trì, liên tục, nhanh và ổn định để đảm bảo thông tin được truyền nhận cóhiệu quả Đối với các hệ thống giao thông cộng cộng như xe buýt, tàu điện, và taxithì người ta còn tích hợp thêm các thiết bị quản lý và kết nối thông minh với hànhkhách thông qua các ứng dụng di động và với các trạm truyến để khai thác tối đahiệu quả của các tuyến xe công cộng

- Vài bộ phận tiên tiến được lắp đặt trên phương tiện để tạo ra một chiếc xe thôngminh được biểu diễn như trong Hình 1-3 Trong hình này, Forward Radar và RearRadar là 2 thiết bị dò tìm và định vị đặt ở phía trước (Forward Radar) và phísau(Rear Radar) xe

Hình 1-3: Một vài thiết bị thông tin cơ bản được tích hợp trên phương tiện [6]

Hai thiết bị này có nhiệm vụ định vị, đo khoảng cách là lập bản đồ các vật thể, vàphương tiện đang ở gần Phần màn hình hiển thị (Display) giữ nhiệm vụ hiển thị cácthông số quan trọng của xe và những thông số thu thập được từ các Radar hay cảmbiến Hệ thống định vị (Position System) có thể ứng dụng công nghệ GPS để định vị vịtrí của xe trong tuyến đường Hay thiết bị ghi dữ liệu hành trình (Event Data Recorder)

và máy tính xử lý chính (Computing Platform)

1.1.3.2 Hạ tầng giao thông thông minh

Có thể chia hạ tầng giao thông thông minh thành 2 thành phần, thứ nhất là công trìnhxây dựng giao thông, thứ 2 là hạ tầng thông tin liên lạc

Một hạ tầng giao thông được cho là thông minh thì phải có hệ thống đường sá thôngsuốt, kết nối mạch lạc với nhau, các hệ thống tín hiệu, bảng báo, đèn chiếu sáng, đèngiao thông phải hoạt động một cách chủ động, có hiệu quả, phù hợp với tình hình giaothông liên tục biến đổi, đảm bảo luồng giao thông luôn được thông suốt

Hai hạ tầng công trình giao thông tương đối hiện đại được thể hiện qua Hình 1-4

khả năng hoạt động và tốc độ của xe buýt Bên cạnh đó là những mảng xanh từ cây và

cỏ đóng vai trò thiết thực trong bỏ vệ môi trường khỏi khói bụi giao thông, cũng nhưlàm tăng tính mỹ quang cho hệ thống giao thông

Hình 1-4: Hệ thống hạ tầng công trình giao thông [2]

Đồng thời, hạ tầng giao thông thông minh thì phải kết nối được với phương tiện giaothông, phục vụ có hiệu quả cho các phương tiện khi tham gia giao thông Để làm đượcđiều đó thì không thể thiếu hệ thống thông tin liên lạc Có thể nói rằng hệ thống thôngtin liên lạc là nền tảng, là xương sống của hệ thống giao thông thông minh Nhiệm vụchính của hệ thống thông tin liên lạc là đảm bảo sự kết nối thông suốt, liên tục và chínhxác tình hình giao thông giữa các phương tiện và hạ tầng Việc kết hợp giữa hạ tầngcông trình xây dựng và hạ tầng thông tin liên lạc được thể hiện cơ bản như Hình 1-5.Trong hình này, các module thu phát sóng giữ vai trò thu nhận tín hiệu từ các máy ghihình, hay ở các trụ đèn giao thông, sau đó trung tâm xử lý tín hiệu sẽ phát đi nhữngthông điệp nhằm mục đích điều khiển hay thông tin cho các phương tiện tham gia giaothông

Hình 1-5: Hệ thống thông tin liên lạc kết hợp với hạ tầng xây dựng trong ITS [2]

1.1.4 Lợi ích của ITS

Giao thông thông minh đang là xu hướng của các hệ thống giao thông trên toàn thếgiới, những quốc gia có hệ thống giao thông thông minh đã giải quyết được các vấn đề

về ùn tắt giao thông, giảm thiểu đáng kể tình hình tai nạn giao thông Vấn đề ô nhiễmmôi trường do khí thải từ các phương tiện cũng giảm đáng kể, do các công nghệ thiếtkiệm nhiên liệu được áp dụng lên các phương tiện, sử dụng nhiên liệu sạch để vận hành

xe, đồng thời giảm thời gian phương tiện hoạt động trên đường do giảm kẹt xe và khảnăng hoạch định đường đi tối ưu của hệ thống Cụ thể những lợi ích được trình bày qua

7 phần như sau:

Một là cung cấp thông tin cho người tham gia giao thông như trước chuyến đi chúng ta

có thể cập nhật tình hình giao thông trong những khu vực mà ta sẽ đi, từ đó hoạch định

ra lộ trình tối ưu nhất Đồng thời trong suốt quá trình tham gia giao thông, tình hìnhgiao thông sẽ được cập nhật một cách liên tục (vị trí trạm thu phí, khu vực lưu lượng

giao thông đông đú, khu vực đang ùn tắt, tai nạn giao thông, cảnh báo giao thông) từ

đó hệ thống sẽ định ra lộ trình thay thế để sự di chuyển được liên tục

Hai là vận hành và quản lí giao thông cụ thể là quản lí các vấn đề vận tải; quản lí, bảodưỡng cơ sở hạ tầng giao thông; duy trì trật tự, ổn định giao thông; quản lí nhu cầu sửdụng hạ tầng giao thông

Ba là lợi ích dành cho phương tiện, các hệ thống thông minh trên xe cùng với ITS sẽgiúp phương tiện mở rộng tầm nhìn từ nhìn xa, nhìn chi tiết tới nhìn trong đêm haytrong điều kiện thời tiết xấu; nâng cao tính an toàn bằng các cảm biến giúp báo trước

va chạm

Bốn là cung cấp dịch vụ chi trả điện tử: bằng hình thức thu phí này, tình trạng ùn tắtkéo dài tại các trạm thu phí vào giờ cao điểm sẽ không còn, vì các phương tiện quatrạm thu phí không cần dừng lại đóng phí, mà sẽ chi trả qua hình thức thanh toán điện

tử trả sau Các bãi đỗ xe cũng sẽ áp dụng biện pháp đậu đỗ xe tự động và thanh toánsau để giảm chi phí nhân sự và không mất thời gian thu-trả phí

Năm là cải thiện dịch vũ cứu hộ cứu nạn giao thông, hệ thống quan sát khi phát hiện cótai nạn thì lập tức sẽ phát tín hiệu báo động về trung tâm giám giát điều khiển, ở đâycác phương tiện cứu hộ sẽ được điều động đến ngay lập tức

Sáu là hệ thống cũng sẽ tạo cảnh báo, phân luồng tự động cho các phương tiện xungquanh và tạo điều kiện cho phương tiện cứu hộ có thể di chuyển nhanh nhất có thể.Phát hiện xử lí vi phạm giao thông tự động: các phương tiện khi vi phạm các lỗi nhưvượt đèn đỏ, đi sai làn đường, chạy quá tốc độ, không sử dụng đèn tín hiệu, và xe quátải sẽ được tự động ghi nhận, và gởi thông báo vi phạm về cho chủ phương tiện để tiếnhành thu phạt

Bảy là hỗ trợ thu dữ phương tiện bị trộm cướp, khi một phương tiện bị mấp cấp, chủphương tiện sẽ phát đi một cảnh báo, hệ thống ITS sẽ ghi nhận thông báo, và tìm kiếmphương tiện trên toàn hệ thống quan sát, đồng thời phát cảnh báo cho các lực lượngchức năng cũng như các phương tiện khác trong khu vực xe bị mất cấp đang hiện diện

1.2 Hệ thống thông tin liên lạc trong ITS [3, 4, 5, 6]

1.2.1 Hệ thống thuyền dẫn

1.2.1.1 Truyền dẫn vô tuyến

Hình 1- 6: Trạm thu phát sóng điện từ cơ bản

Mô hình cấu trúc thu phát sóng điện từ được mô tả như trong Hình 1-6 Trong hìnhnày, trạm A sẽ phát sóng có màu nhạt hơn và nhận sóng có màu đậm, trạm B sẽ phátsóng có màu đậm hơn và nhận sóng có màu nhạt từ trạm A Khoảng cách truyền giữahai trạm có thể rất xa, thông thường là hàng chục kilomet

1 Sóng điện từ

Về mặt thông tin liên lạc, đối với các hệ thống truyền nhận tin hiện tại và truyền thốngthì thông tin được truyền chủ yếu trên nền sóng điện từ Một số công nghệ sóng điện

từ được ứng dụng trong ITS được trình bài như mô tả ở phần tiếp theo

Công nghệ nhận dạng tần số sóng vô tuyến RFID (Radio Frequency Identification) đây

là công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến, cho phép một thiết bị đọc thôngtin chứa trong chip ở một khoảng cách xa, mà không cần tiếp xúc RFID sử dụng băng

Trạm BTrạm A

30-300 KHZ, tần số cao HF (High Frequency) dãi tần trong khoảng 3-30 MHZ, tần sốcực cao UHF (Ultra High Frequency) dãi tần trong khỏang 300 MHZ- 3 GHZ hoặc tần

số viba(3-30GHZ) Trong hệ thống giao thông thông minh, nó được sử dụng để thựchiện thu phí tự động tại các trạm thu phí, hay giám sát các phương tiện

Mạng dùng để kết nối phương tiện với phương tiện V2V (Vehical to Vehival) dành chotruyền nhận thông tin giữa các phương tiện thông qua giao thức định tuyến của mạngVANET (Vehicular Ad hoc NETwork)- một mạng tích hợp trên ô tô , chuyên dùng đểkết nối dữ liệu giữa ô tô với nhau Với mạng này, mỗi phương tiện tham gia giao thôngđược coi là một node, các thông tin về vị trí, tốc độ, hướng di chuyển của các phươngtiện sẽ được trao đổi liên tục cho nhau trong phạm vi bán kính khoảng 300m Mạngnày sử dụng băng thông 75MHz của băng tần 5.9GHz

Mạng VANET ứng dụng trong giao thông thông minh được mô tả như trong Hình 1-6.Trong hình này, những chiếc xe ô tô được lắp đặt một mạng kết nối V2V Đồng thờinhà ga với tàu điện hay xe buýt với trạm dừng cũng có thiết lập kết nối để hành khách

có thể nắm bắt được thông tin của chuyến tàu Các phương tiện với các tín hiệu giaothông (Traffic Signs), hệ thống cảnh báo an toàn (Safety System)

Hình 1-7: Mạng VANET được ứng dụng trong ITS [6]

Các thế hệ mạng di động 3G, 4G (Third-Generation và Fourth- Generation) Đây lầnlượt là công nghệ truyền thông thế hệ thứ 3 và thứ 4 Đối với mạng 3G thì tốc độ tảixuống và tải lên trong thực tế lần lượt là 3Mbps và 0.4Mbps Còn với mạng 4G LTEthì tốc độ tải xuống/lên trong thực tế lần lượt là 14Mbps và 8Mbps Người tham giagiao thông có thể sử dụng những thế hệ mạng này để truy cập nhanh các ứng dụng củagiao thông thông minh như kích hoạt hệ thống định vị toàn cầu GPS và sử dụng cáctiện ích về giao thông công cộng, cũng như tình trạng giao thông, bản đồ

Đối với hệ thống mạng lõi, người ta sử dụng hệ thống thông tin vi ba và vệ tinh để thựchiện truyền nhận thông tin giữa các trạm với trung tâm điều phối chính

2 Truyền dẫn quang

Một trong những đòi hỏi khắc khe của hệ thống giao thông thông minh là vấn đề tiếpnhận thông tin trên thời gian thực, thộng tin gửi đi từ một hệ thống này đến một hệthống khác phaỉ gần như là ngay lập tức, thời gian trễ phại cực kì thấp để đáp ứng được

việc tình hình giao thông thay đổi nhanh và liên tục Để thực hiện được yêu cầu trên thìđòi hỏi phải có loại hình truyền dẫn mới, đó là quang vô tuyến,

Hình 1-8: Mô hình truyền nhận thông tin quang vô tuyến [4]

Thông tin thu thập được từ các cảm biến, thiết bị ngoại vi đặt trên các tuyến đường, sau

đó truyền đi đến các trạm thu phát, từ các trạm này, thông tin sẽ được truyền đi đếntrung tâm điều phối chính Đường truyền sẽ ngược lại cho quá trình truyền tín hiệuđiều khiển, thông tin giao thông từ trung tâm điều hành tới các đơn vị, khu vực khi cầnthiết Mô hình truyền-nhận thông tin quang vô tuyến được thể hiện qua Hình 1-7.Trong hình này, ta có thể thấy được 2 thiết bị thu phát quang vô tuyến truyền tin chonhau giữa 2 điểm Khoảng cách truyền và môi trường truyền sẽ ảnh hưởng đến tốc độ

và chất lượng của kênh truyền

1.2.1.2 Truyền dẫn hữu tuyến

1 Cáp kim loại

Cáp kim loại là loại cáp được sử dụng rất nhiều trong truyền thông (UTP và STP),nhưng đối với truyền dẫn trong hệ thống giao thông thông minh thì nó rất ít được sửdụng vì độ suy hao cao, tốc dộ truyền thấp, khó đáp ứng các yêu cầu về tốc độ của

mạng trong ITS, bảo mật thông tin kém, khó khăn trong trong việc thi công hạ tầngtruyền dẫn vì nó chỉ có thể truyền tối đa 500m để đảm bảo sự ổn định đường truyền, nóchỉ được sử dụng trong kết nối các thiết bị với khoảng cách ngắn, không ảnh hưởngnhiều đến hiệu suất đường truyền.

Hình 1-9: Mô hình truyền tin bằng cáp đồng trục [4]

Mô hình truyền dữ liệu bằng cáp đồng được mô tả như Hình 1-9 Trong hình này, sợicáp đồng sẽ truyền tải dữ liệu vào modem SHDSL tín hiệu vào modem sẽ được điềuchế để truyền đi hay được giải điều chế để khôi phục lại tín hiệu gốc

2 Cáp quang

Hiện nay, cáp quang được sử dụng rộng rãi nhất trong hạ tầng thông tin liên lạc của hệthống giao thông thông minh Phần lớn các nước đều sử dụng cáp quang cho việctruyền tải thông tin trong ITS trong đó có Việt Nam Cáp quang được sử dụng phổ biến

là do ưu điểm vượt trội của nó so vơi các loại truyền dẫn khác (điện từ và cáp đồng)

Về tốc độ, cáp quang có thể đạt tới 10Gbps về mặt công nghệ, khoảng cách truyền tối

đa cũng rất xa, khoảng 10Km Cáp quang có độ bảo mật cao, do được chế tạo từ sợithủy tinh, tín hiệu truyền là ánh sáng nên hầu như không bị đánh cấp thông tin trênđường truyền Thêm đặc tính nữa là cáp quang không dẫn sét, nên có thể đảm bảo antoàn cho dữ liệu Đồng thời suy hao đường truyền thấp, không bị suy hao trong điềukiện thời tiết xấu

Hình 1-10: Đường truyền cáp quang giữa hai trạm [4]

Mô hình truyền cáp quang giữa 2 điểm được thể hiện qua Hình 1-10 Trong hình này,sợi quang được kết nối với bộ chuyển đổi quang –điện và điện-quang được đặt ở 2 đầusợi quang, có chức năng chuyễn đổi qua lại tín hiệu quang và điện Ánh sáng chứa dữliệu được truyền trong sợi quang, sợi quang có thể được đặt trên cao, hay rong lòng đất,đối với các tuyến các đường trục, mạng lỗi, thì sợi cáp thường được đặt trog lòng đất

để hạn chế các tác động vật lý bên ngoài lên sợi quang, cũng như để hạn chế mất mác

Ngoài ra hệ thống cũng sẽ thông qua các thiết bị ngoại vi phát hiện những sai phạm củacác phương tiện khi tham gia giao thông.

Mô hình của trung tâm điều khiển được mô tả một cách cơ bản như Hình 1-11 Tronghình này, phần điều hành giao thông đóng vai trò là nơi tổng hợp và xử lý thông tingiao thông từ tất cả cáo nguồn gởi về Hai nguồn thông tin chính được sử dụng đó làcổng thông tin công cộng, tức là lấy thông tin từ người dân, và thông tin từ các thiết bịthu thập Đồng thời làm nhiệm vụ điều hành giao thông, phân tích, dự báo giao thông,điều khiển tín hiệu giao thông

Hình 1- 11: Mô hình trung tâm điều hành ITS [5]

1.2.2.2 Công nghệ

Hệ thống điều khiển trung tâm là nơi tập trung tất cả thông tin và giải quyết chúng mộtcách nhanh chóng, hiệu quả, nên phải có đòi hỏi về chất lượng và tính chuyên dụng của

các thiết bị rất cao Với màn hình hiển thì thì phải là màn hình có khả năng họat động24/7, độ bền cao, góc nhìn rộng, hiển thị sắc nét, ít tiêu hao năng lượng.

Hệ thống màn hình chuyên dụng được giới thiệu như trong Hình 1-12 Trong hình này,

có một màn hình lớn, đó là màn hình được ghép từ các màn hình nhỏ, các màn hìnhnhỏ cũng có khả năng hiển thị thông tin, hình ảnh độc lập, tùy vào mục đích sử dụng

mà ác màn hình có thể ghép lại hoặc tách ra riêng biệt

Hệ thống máy tính tốc độ cao, cấu hình phải đảm bảo việc giải quyết, tiếp nhận thôngtin nhanh chóng Đồng thời có hệ thống sao chép dữ liệu hoạt động song song với hệthống vận hành chính để chắc chắc rằng dữ liệu sẽ không bị mất, kết nối không bị ngắtkhi có sự cố ở hệ thống chính

Hình 1-12: Màn hình hiện thì trong trung tâm điều khiển tín hiệu giao thông Hà Nội [3]

1.3 ITS ở Việt Nam [5]

1.3.1 Các công trình đã đang thực hiện

Mặc dù ITS đã được ứng dụng rộn rãi, sâu sắc từ lâu trên thế giới, nhưng ở Việt Namthì nó vẫn còn mới mẽ và mờ nhạt Ứng dụng ITS mới nhất ở Viết Nam là giải phápcho đường cao tốc Một trung tâm điều hành giao thông thông minh cho đường cao tốcBắc –Nam vừa được khánh thành, đi vào khai thác tuyến cao tốc Long Thành – DầuGiây, hệ thống này bao gồm các trạm thu phí điện tử, các hệ thống giám sát thiết bị vàđiều khiển giao thông Hệ thống gồm 16 camera giám sát (CCTV) và 52 camera cóchức năng quan sát thăm dò xe, cảnh báo tốc độ phương tiện và nhiều hệ thống thôngtin hiện đại Hệ thống thông tin liên lạc không dây, 8 bảng thông tin khả biến cùng hệthống bộ đàm liên lạc nội bộ giúp nâng cao hiệu quả việc trao đổi thông tin, phối hợpkiểm soát điều hành giao thông trên cao tốc, tổng mức đầu tư toàn bộ gói thầu ITS vàokhoảng 800 tỷ đồng

Hình 1-13: Hệ thống ITS ở cao tốc Long Thành- Dầu Giây [5]

Tại Hà Nội, ITS được ứng dụng trên quốc lộ 3 mới, đường vành đai 3 (Mai Dịch Thanh Trì), đường Láng - Hòa Lạc, Pháp Vân - Cầu Giẽ, Cầu Giẽ - Ninh Bình, quốc lộ

-4 hợp phần, gồm: hệ thống giám sát và thu thập thông tin giao thông; hệ thống thôngtin giao thông; hệ thống quản lý kết cấu hạ tầng giao thông; và hệ thống quản lý vận tảihành khách công cộng bằng xe buýt Cụ thể, từ tháng 6 đến tháng 11-2017, xây dựng

hệ thống giám sát và thu thập thông tin giao thông (từ hệ thống camera giám sát vàthiết bị GPS) Hệ thống thông tin giao thông, với bản đồ giao thông và tích hợp dữ liệu,ứng dụng di động, cổng thông tin giao thông tập trung và hệ thống quản lý kết cấu hạtầng giao thông

Ngoài ra kênh radio VOV giao thông đã được thành lập gồm 1 máy phát ở Hà Nội phủmột vùng 200km và 2 máy phát tại Tp.Hồ Chí Minh phủ sóng 300km Kênh là trungtâm tiếp nhận tình hình giao thông như kẹt xe, tai nạn, tắt đường, và được phát trực tiếpđến các phương tiện có kết nối với đài, nhằm giảm tránh ùn tắt giao thông

1.3.2 Các công trình sẽ thực hiện

Trong tương lai, Việt Nam sẽ hoàn thành tuyến cao tốc được cho là xương sống của cảnước đó là cao tốc Bắc-Nam, tuyến cao tốc này sẽ được quản lý bằng các hệ thốngthông minh, và nó sẽ là công trình đển hình cho hệ thống giao thông thông minh ở ViệtNam Đồng thời hệt thống giao thông thông minh sẽ được mở rộng và phủ toàn bộ 3thành phố lớn là Hà Nội, Đà Nẵng và Hồ Chí Minh Sau đó sẽ lan dần đến các đườngquốc lộ và tỉnh lộ của khu vực phía Nam

Tuy nhiên, hệ thống giao thông thông minh ở Việt Nam trước mắt chỉ dừng lại ở vàichức năng cơ bản vì cơ sở hạ tầng công trình giao thông cũ kĩ, không đồng bộ, sử dụngphương tiện xe máy công cộng là chủ yếu, ít sử dụng phương tiện công cộng Để hệthống giao thông thông minh được triển kai sâu, rộng, thì chính quyền ở 2 thành phốlớn nhất nước là Hà Nội và Hồ Chí Minh sẽ tiến hành ban hành các quy định, cũng nhưphát triển hệ thống phương tiện công cộng để người dân chuyển sang sử dụng phươngtiện công cộng nhiều hơn

1.4 Kết luận chương

Một cách ngắn gọn, chương này đã trình bày phần nào về công nghệ, cấu trúc của ITS

và những ứng dụng, hiệu quả tích cực đến đáng ngạc nhiên mà nó đem lại cho sự pháttriển kinh tế, sự thuật lợi trong di chuyển và cho môi trường ở những nơi mà nó đượcxây dựng

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, CHỨC NĂNG, HOẠT ĐỘNG CỦA

HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÔ TUYẾN (FSO)

2.1 Lịch sử ra đời của FSO [8,10, 12, 20, 24]

FSO là viết tắt của cụm từ Free Space Optic (quang vô tuyến), ban đầu được phát triểnbởi quân đội và NASA, FSO đã được sử dụng trong hơn ba thập kỷ với nhiều hình thứckhác nhau để cung cấp các liên kết truyền thông nhanh chóng giữa những khu vực xa.LightPointe có nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực này: các nhà khoa học của họ đã xâydựng các phòng thí nghiệm để phát triển các hệ thống FSO đầu tiên ở Đức vào cuốinhững năm 1960, ngay trước cả sự ra đời của cáp quang Nhà khoa học củaLightPointe được coi là "cha đẻ của công nghệ FSO" Sau đó trong khi truyền dẫn cápquang đã được chấp nhận trên toàn thế giới trong ngành viễn thông thì truyền thôngFSO vẫn được coi là tương đối mới Công nghệ FSO cho phép truyền tải băng thôngtương tự như sợi quang, sử dụng các thiết bị phát và thu quang tương tự và thậm chícho phép các công nghệ tương tự WDM vận hành qua không gian tự do

2.2 Mô hình cấu trúc [9, 10, 14, 15, 19]

FSO là hệ thống tuyền thông không dây, dữ liệu được truyền đi bằng ánh sáng trongmôi trường không gian tự do Mô hình cấu trúc cơ bản của FSO được thể hiện nhưtrong Hình 2-1 Trong hình này thiết bị 2 màu xanh là thiết bị xử lí tín hiệu, 2 thiết bịmàu vàng là thấu kính, hai dùng để thu - phát ánh sáng, mỗi bộ thu phát gồm 2 thànhphần chính là bộ xử lý tín hiệu là thấu kính Hai vầng sáng màu vàng và xanh là ánhsáng được truyền đi trong môi trường không khí

Hình 2- 1: Mô hình cấu trúc cơ bản của FSO [10]

Bộ thu/phát bên trái truyền ánh sáng màu đỏ và nhận ánh sáng màu xanh còn bộthu/phát bên phải thì ngược lại, truyền ánh sáng màu xanh và nhận ánh sáng màu đỏ.Về

cơ bản, một hệ thống quang vô tuyến gồm 3 phần chính là máy phát quang, môitrường không gian tự do, và máy thu quang

2.2.1 Các loại sóng ánh sáng

Ánh sáng trắng là tổng hợp của các ánh sáng đơn sắc mà ta có thể nhìn thấy Các ánhsáng đơn sắc nối liền với nhau thành 1 dãy liên tục theo thứ tự: đỏ-cam-vàng-lục-lam-chàm-tím Mỗi ánh sáng đơn sắc có bước sóng khác nhau

Bảng 2-1: Bảng liệt kê bước sóng của 7 ánh sáng khả kiến [9]

Bộ thu/p hát

Tím 0.38-0.44

Bảng 2-1 liệt kê các khoảng bước sóng của 7 ánh sáng khả kiến tiêu biểu, mỗi bướcsóng sẽ cho 1 tần số, vì vậy có thể thực hiện nhiều loại tín hiệu độc lập nhau nhau trongcùng một nguồn ánh sáng trắng

Những ánh sáng này dùng để truyền phát dữ liệu ở tốc độ cao, nhế nhưng khoảng cáchtruyền rất ngắn, chỉ có thể áp dụng truyền dữ liệu trong khu vực nhỏ, chẳng hạn nhưtrong một căn phòng Công nghệ ứng dụng kiểu truyền dữ liệu bằng các ánh sáng này

có tên là VLC (Visible Light Communication) Vì đề tài bài báo cáo tậm trung vàoFSO nên đối với phần VLC này, bài báo báo chỉ giới thiệu sợ lược đôi nét như trongphần kề trên

2.2.2 Các nguồn sáng được nghiên cứu và sử dụng trong FSO [10, 16]

Khác với VLC, mặc dù quang vô tuyến (FSO) cũng dùng ánh sáng để truyền dữ liệu,nhưng hệ thống FSO có thể truyền dữ liệu đi với khoảng cách xa Nguyên nhân là doFSO sử dụng nguồn sáng khác đó là LASER và LED

2.3.2 Cấu tạo [9, 10, 13, 16, 22]

2.3.2.1 Sơ đồ khối

Sơ đồ khối của một bộ phận thu quang được thể hiện như trong Hình 2-2 Trong hìnhnày, bộ phát gồm 4 thành phần chính Chúng là khối điều chế tín hiệu, khối mạch điềukhiển, khối nguồn phát LD/LED, và thấu kính Tin tức gốc sẽ đi lần lượt qua các khối,

và sẽ biến đổi từ dạng tín hiệu là các tín hiệu điện thành tín hiệu quang trước khi phát

ra từ lăng kính

2.3.2.2 Các thành phần trong khối[9, 13, 16, 22]

1 Bộ điều chế

Bộ điều chế trong bộ nguồn giữ vai trò điều chế tín hiệu Phương pháp điều chế được

sử sụng phổ biến là điều chế cường độ IM (Intensity Modulation), tín hiệu được điềuchế tại đây sẽ được đưa vào bộ phát xạ quang

Cấu tạo chi tiết của máy thu phát quang được mô tả như Hình 2-3 Trong hình này, bộphận điều chế tín hiệu nằm ở khối sử lý tín hiệu (Data Processing), nơi mà luồng ánhsáng màu đỏ đi dang qua, tín hiệu đầu vào bộ điều chế là tín hiệu số Các dạng điềuchế cường độ quang có mà có thể sử dụng trong quang vô tuyến là điều chế OOK (On-Off Keying) đây là điều chế được sử dụng nhiều nhất vì tính đơn gỉan của nó Ngoài racòn có điều chế cường độ sóng mang phụ SIM (Subcarrier Intensity Modulation), haycác kiểu điều chế xung PM (Pulse Modulation)

THẤUKÍNHTRUYỀN

QUANG

MẠCHĐIỀUKHIỂN

BỘ ĐIỀUCHẾ

Hình 2-2: Sơ đồ khối của máy phát [22]

Hình 2- 3: Cấu tạo thiết bị thu phát quang vô tuyến [16]

- Có nhiều loại laser như laser rắn, laser khí, laser CO2, laser than hoạt tính, và một

số lạo khác Tuy nhiên, trong quang vô tuyến, người ta sử dụng laser bán dẫn , điểnhình là Laser Diode (LD) Laser diod co vài loại như GaAs, AlGaAs, và GaInAsP.Mỗi loại có ứng dụng khác nhau tùy thuộc vào công suất và bước sóng Trong

thông tin quang, người ta sử dụng laser diode loại GaInAsP, vì loại này có côngsuất cao (20mW), bước sóng 1300nm.

- Về cấu tạo, một cách tổng quát thì laser gồm có 3 thành phần, thứ nhất là buồngcộng hưởng laser, thứ hai là nguồn nuôi, cuối cùng là hệ thống quang dẫn Cấu tạo

cụ thể được mô tả như trong Hình 2-4

Hình 2- 4: Cấu tạo bộ phát laser [9]

Trong hình Hình 2-4, số 1 là vùng cộng hưởng (vùng bị kích thích), số 2 là nguồn nuôi(năng lượng cung cấp cho vùng bị kích thích), số 3 là gương phản xạ toàn phần (là loạigương mà khi ánh sáng chiếu vào đều bị phản xạ lại toàn bộ), số 4 là gương bán mạ(đây là loại gương mà khi ánh sáng đi tới sẽ chỉ bị phản xạ lại một phần, còn một phần

sẽ xuyên qua gương), số 5 là tia laser ra khỏi buồng cộng hưởng thông qua gương bán

mạ Trong các thành phần cấu tạo thì buồng cộng hưởng là thành phần chính, nó chứahoạt chất laser, đó là một chất đặc biệt có khả năng khuếch đại ánh sáng bằng phát xạkích thích để tạo ra laser Khi 1 photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là

1 photon khác bật ra bay theo cùng hướng với photon đó Tính chất của laser phụ thuộcvào hoạt chất đó, do đó người ta căn cứ vào hoạt chất để phân loại laser [22]

- Về nguyên lý hoạt động, laser hoạt động trên nguyên lý phát xạ khích thích Khi

có tác dụng của điện áp đủ mạnh, thì các electon trong buồng cộng hưởng sẽchuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao Khi ở mức năng lượngnày, nếu có 1 hạt photon (hạt ánh sáng) va vào thì electon này sẽ rơi xuống mức

năng lượng thấp đồng thời sinh ra một hạt ánh sáng mới, cùng pha, cùng độ lớn vàcùng hướng di chuyển với hật ánh sáng ban đầu Những hật ánh sáng này nhờgương phản xạ toàn phần sẽ di chuyển qua lại trong buồng cộng hưởng làm va phảinhiều hạt electon ở mức năng cao khác, làm chúng rơi xuống mức năng lượng thấphơn, từ đó sản sinh ra nhiều hạt ánh sáng Các hạt ánh sáng này cứ di chuyển qualại giữa 2 màn kính, tạo thành một dòng ánh sáng được khuêch đại, dòng ánh sángnày sẽ thoát ra ngoài một phần thông qua gương bán mạ Ánh sáng thoát ra khỏigương ban mạ có thể truyền đi rất xa Nguyên lý hoạt động của laser được thể hiệnthông qua Hình 2-4 Trong hình này, các vệt sáng màu xanh chính là các hạtphoton ánh sáng, các hạt tròn màu đỏ nhỏ là các electon đang ở mức năng lượngthấp vì va phải các photon ánh sáng, còn các hạt tròn to hơn là các electron đang ởmức năng lượng cao do chưa tiếp xúc với các hạt photon ánh sáng, hai tấm gươngphản xạ toàn phần và bán mạ ở hai đầu buồng cộng hưởng giúp ánh sáng có thể dichuyển qua lại trong buồng cộng hưởng, nhằm duy trì sự phản xạ kích thích.

Hình 2- 5: Nguyên lý hoạt động của laser diode [9]

Nguồn LED

Gương bánmạGương phản xạ toàn phần

LED là loại diode có thể phát quang, có thể là tia tử ngoại, tia hồng ngoại hay các ánhsáng khả kiến Trong FSO, người ta dủng LED hồng ngoại để truyền quang, vì LEDhồng ngoại có tính chất định hướng LED hồng ngoại có bước sóng từ 780nm-1mm

- Về cấu tạo, một cách tổng quá thì LED gồm có 3 phần chính, đó là 2 chân cực, sợinối và lăn kính Nền tảng của LED là sự kết hớp giữa một lớp bán dẫn loại P vàmột lớp bán dẫn loại n Cấu tạo chi tiết của led được biểu thị như Hình 2-5 Tronghình này, chân cực to hơn là cực âm, chân cực nhỏ là cực dương, trên cực âm cóchứa chất bán dẫn và phản sáng, hai cực nổi với nhau bằng sợi nối kim loại mỏng.Ánh sáng phát ra từ chất phản sáng sẽ truyền ra khỏi LED thông qua lăng kính

Hình 2- 6: Cấu tạo của LED[9]

- Về nguyên lý hoạt động, lớp bán dẫn loại P, chứa các lỗ trống mang điện tíchdương nên khi ghép với khối bán dẫn n (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trốngnày có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối n Cùng lúc khối p lại nhậnthêm các điện tử (điện tích âm) từ khối n chuyển sang Kết quả là khối p tích điện

âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếuhụt điện tử và dư thừa lỗ trống) Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử

bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp vớinhau tạo thành các nguyên tử trung hòa Quá trình này có thể giải phóng nănglượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó).

Bảng 2- 2: Một số nguồn quang [6]

Khoảng 850 Laser phát xạ

khoang cộnghưởng

Rẻ, có tính khả dụng

Mật độ công suất thấpTốc độ khoảng 10GbpsKhoảng 1300-1500 Laser Fabry-

Parot

Thời gian sống lâu

Tiêu chuẩn an toàn cho mắt thấp

Mật độ công suất cao hơn 50 lần (100nW/Cm2)

Truyền tốt trong sương mù, nhưng không thể truyền qua thủy tinh

Khoảng 750-1400 Hồng ngoại gần

( NIR)

Rẻ hơnMạch điều khiển đơn giản

Công suất thấp: <10mW

- Thấu kính truyền

Thấu kính là nơi tập trung ánh sáng sau khi được điều chế cùng với tín hiệu góc đểphát ra môi trường ngoài Thấu kính này cần phải có độ hội tụ cao, ánh sáng truyềnqua thấu kính sẽ phải truyền qua tâm điểm để ánh sáng được truyền thẳng

2.3.3 Các thông số yêu cầu

Dung lượng kênh C, là giới hạn của lượng thông tin mà kênh truyền có thể truyền tải,

nó phụ thuôc vào công suất tín hiệu, kiểu điều chế Vì vậy phải lựa chọn công suất vàkiểu điều chế sao cho dung lượng kênh tối ưu nhất

Công suất phát Pt là công suất phát tối đa mà hệ thống có thể phát, công suất phát càngcao thì khoảng cách truyền càng xa

2.4 Bộ thu

2.4.1 Chức năng[16, 22, 23, 24]

Bộ thu có chức năng chính là thu tín hiệu ánh sáng sau đó giải mã, chuyển tín hiệu từquang sang tín hiệu điện tức là khôi phục lại tín hiệu ban đầu chức năng của bộ thu rấtquang trọng, đòi hỏi độ chính xác cao, khả năng khôi phục tín hiệu tốt, đáng tin cậy

2.4.2 Cấu tạo

2.4.2.1 Sơ đồ khối

Giải điềuchế

Bộ táchsóng

Bộ lọcquang

Thấukính thuÁnh sáng vào

Bộ phận thu gồm có 4 thành phần cơ bản, thứ nhất là thấu kính, thứ hai là bộ lọcquang, thứ 3 là bộ tách sóng quang, cuối cùng là bộ giải điều chế Vị trí của các bộphận trong máy thu thực tế được thể hiện qua Hình 2-3

2.4.2.2 Các thành phần trong khối

Thấu kính thu quang và bộ lọc quang, phần này có nhiêm vụ tập trung ánh sáng truyền

từ máy phát, sau đó đưa vào bộ phận tiếp theo Thứ tự của các thành phần thu sángđược thể hiện trong Hình 2-3 Trong hình này, ánh sáng từ nguồn sẽ vào tấm phủ bằngkính, trên có có gắn thiết bị lọc ánh sáng (Defroster), vì trong ánh sáng truyền tới máythu sẽ có chứa nhiều các hạt tạp chất, nhiệm vụ của tấm lọc này là làm cho ánh sángkhông còn lẫn các hạt bụi, hay sương Sau đó ánh sáng đi quang thấu kính thu quang, ởđây chùm sáng tới sẽ được hội tụ lại rồi truyền vào bộ nhận sóng ánh sáng (receiver)

Bộ tách sóng quang : ánh sáng sau khi được hội tụ lại tại điểm nhận sáng, nó sẽ đượctruyền vào bộ xử lý tin hiệu (Data Processing), tại đây, ánh sáng nhận được sẽ đượctách ra khỏi tính hiệu, gọi là quá trình tách sóng mang (photodetector) Sau khi ra khỏi

bộ phận này, tín hiệu sẽ là tín hiệu điện Linh kiện dùng để tách sóng quang thườngdùng là PIN và APD

Quá trình tách tính hiệu phía thu đực hia thành 2 loại:

Tách sóng trực tiếp: sử dụng cường độ hoặc công suất của bức xạ quang đến đến bộ

thu để tách tín hiệu Vì vậy cường độ dòng điện tín hiệu ra củ bộ tách quang sẽ tỉ lệ vớicông suất quang nhận được Cách xử lí này phù hợp với hệ thống quang mà sử dụngđiều chế cường độ (IM)

Tách sóng kết hợp( coherent): hoạt động trên hiện tượng trộn sóng ánh sáng Tín hiệuquang nhận được sẽ được kết hợp với 1 tín hiệu quang khác được tạo ra ở bề mặt của

bộ tách sóng quang

Hình 2-7: Sơ đồ khối bộ thu quang [22]