THIẾT kế hệ THỐNG ROF (RADIO OVER FIBER) TRÊN nền OFDM WDM và mô PHỎNG BẰNG PHẦN mềm OPTICAL SYSTEM

THIẾT kế hệ THỐNG ROF (RADIO OVER FIBER) TRÊN nền OFDM WDM và mô PHỎNG BẰNG PHẦN mềm OPTICAL SYSTEM THIẾT kế hệ THỐNG ROF (RADIO OVER FIBER) TRÊN nền OFDM WDM và mô PHỎNG BẰNG PHẦN mềm OPTICAL SYSTEM THIẾT kế hệ THỐNG ROF (RADIO OVER FIBER) TRÊN nền OFDM WDM và mô PHỎNG BẰNG PHẦN mềm OPTICAL SYSTEM THIẾT kế hệ THỐNG ROF (RADIO OVER FIBER) TRÊN nền OFDM WDM và mô PHỎNG BẰNG PHẦN mềm OPTICAL SYSTEM THIẾT kế hệ THỐNG ROF (RADIO OVER FIBER) TRÊN nền OFDM WDM và mô PHỎNG BẰNG PHẦN mềm OPTICAL SYSTEM

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ROF (RADIO OVER FIBER) TRÊN NỀN OFDM-WDM

VÀ MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM

OPTICAL SYSTEM

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ IX DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU XI DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT XII CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÀ CÔNG

NGHỆ RADIO OVER FIBER 1

1.1 HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TỔNG QUÁT 1

1.1.1 Bộ phát quang 1

1.1.2 Bộ thu quang 7

1.1.3 Kênh truyền sợi quang 7

1.2 CÔNG NGHỆ RADIO OVER FIBER 9

1.2.1.1 Sự kết hợp sợi quang và sợi vô tuyến 10

1.2.2 Tổng quan về kỹ thuật RoF 11

1.2.2.1 Thiết bị di động đầu cuối MH (Mobile Host) 12

1.2.2.2 Trạm cơ sở BS (Base Station) 12

1.2.2.3 Trạm trung tâm CS (Central Station) 12

1.2.3 Kỹ thuật truyền dẫn RoF 14

1.2.4 Các ưu thế của công nghệ RoF 15

1.2.5 Các ứng dụng trong thực tế của công nghệ RoF 15

1.2.5.1 Mạng VCC sử dụng công nghệ RoF 16

1.2.6 Các giới hạn của công nghệ RoF 16

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT GHÉP KÊNH OFDM VÀ WDM 18

2.1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM VÀ WDM 18

2.2 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA KỸ THUẬT OFDM 19

2.3 ĐẶC TÍNH TRỰC GIAO CỦA KỸ THUẬT OFDM 20

2.4 THỰC HIỆN BIẾN ĐỔI FFT/IFFT RỜI RẠC 21

2.5 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG OFDM 22

2.6 BỘ CHUYỂN ĐỔI D/A VÀ A/D 24

2.8 NGUYÊN TẮC CƠ BẢN KỸ THUẬT GHÉP KÊNH WDM 25

2.8.1 Ưu điểm 27

2.8.2 Nhược điểm 27

2.8.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống WDM 28

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT OFDM TRONG HỆ THỐNG WDM ROF 29

3.1.HỆ THỐNG TRUYỀN VÔ TUYẾN QUA SỢI QUANG ROF SỬ DỤNG OFDM KẾT HỢP WDM .29

3.2 CÁC NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG OFDM - WDM ROF TRONG THỜI GIAN GẦN ĐÂY 29

3.3 CẤU TRÚC HỆ THỐNG ROF-OFDM VÀ OFDM - WDM ROF 30

3.4 HỆ THỐNG OFDM - WDM ROF SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ QAM 32

3.5 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 34

3.5.1 Suy hao trên tuyến quang 34

3.5.2 Hiện tượng tán sắc 34

3.5.3 Nhiễu trong thông tin quang 35

3.6 MÔ HÌNH XÂY DỰNG CHO HỆ THỐNG OFDM – WDM ROF 35

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 37

4.1 KHÁI QUÁT VỀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG OPTISYSTEM 37

4.1.1 Ứng dụng Optisystem 37

4.1.2 Các công cụ phân tích 37

4.2 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT CỦA HỆ THỐNG OFDM - WDM ROF 38

4.3 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG OFDM - WDM ROF 39

4.4 HỆ THỐNG ROF-OFDM MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM 39

4.4.1 Bộ phát 39

4.4.1.1 Khối phát RF-OFDM 40

4.4.1.2 Khối phát quang 42

4.4.2 Tuyến truyền dẫn quang 42

4.4.3 Bộ thu quang 44

4.4.3.1 Khối thu quang 44

4.7 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 16-QAM OFDM – WDM ROF 52

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 56

5.1 KẾT LUẬN 56

5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

HÌNH 1-2: CẤU TRÚC BỘ PHÁT QUANG 2

HÌNH 1-3: SƠ ĐỒ HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ ĐIỀU CHẾ MZM 4

HÌNH 1-4: PHA CỦA SÓNG MANG TÍN HIỆU QUANG NGÕ RA 5

HÌNH 1-5: BỘ MZM PHÂN CỰC ĐƠN 5

HÌNH 1-6: BỘ MZM PHÂN CỰC ĐÔI 6

HÌNH 1-7: CẤU TẠO CÁP SỢI QUANG 8

HÌNH 1-8: PHÂN LOẠI SỢI QUANG 8

HÌNH 1-9: MỘT MICROCELL CS – BS – MH TRONG KIẾN TRÚC ROF 11

HÌNH 1-10: SƠ ĐỒ TRUYỀN TÍN HIỆU RF TRÊN TUYẾN ROF 14

HÌNH 2-1: SƠ ĐỒ QUÁ TRÌNH PHÁT TIN OFDM 20

HÌNH 2-2: HÌNH DẠNG PHỔ CỦA TÍN HIỆU FDM VÀ OFDM 20

HÌNH 2-3: PHỔ CỦA CÁC SÓNG MANG TRỰC GIAO 21

HÌNH 2-4: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG OFDM 22

HÌNH 2-5: MÔ HÌNH HỆ THỐNG WDM 25

HÌNH 2-6: HỆ THỐNG TRUYỀN TIN WDM [11] 26

HÌNH 3-1: SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN ROF-OFDM 30

HÌNH 3-2: MÔ HÌNH CHO HỆ THỐNG OFDM - WDM ROF 31

HÌNH 3-3: TỌA ĐỘ (I, Q) TRÊN GIẢN ĐỒ CHÒM SAO (GRAY CODE) 33

HÌNH 3-4: HIỆN TƯỢNG TÁN SẮC TRÊN KÊNH TRUYỀN QUANG 35

HÌNH 4-1: LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT CHO HỆ THỐNG OFDM - WDM ROF 38

HÌNH 4-2: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THÔNG OFDM - WDM ROF 39

HÌNH 4-3: SƠ ĐỒ KHỐI TRUYỀN DẪN RF-OFDM 40

HÌNH 4-4: SƠ ĐỒ BỘ PHÁT QUANG 42

HÌNH 4-8: GIẢN ĐỒ CHÒM SAO TÍN HIỆU 16-QAM ĐÃ ĐƯỢC MÃ HOÁ 46

HÌNH 4-9: TÍN HIỆU OFDM THỰC VÀ ẢO SAU BỘ LỌC THÔNG THẤP 46

HÌNH 4-10: TÍN HIỆU OFDM TRONG MIỀN TẦN SỐ 47

HÌNH 4-11: TÍN HIỆU QUANG ĐƯỢC ĐIỀU CHẾ Ở MIỀN THỜI GIAN VÀ MIỀN TẤN SỐ 47

HÌNH 4-12: CÔNG SUẤT TÍN HIỆU QUANG LÚC VÀO TUYẾN VÀ TRƯỚC BỘ THU QUANG 48

HÌNH 4-13: TÍN HIỆU RF TẠI MÁY THU 48

HÌNH 4-14: TÍN HIỆU RF SAU BỘ LỌC THÔNG DÃI 49

HÌNH 4-15: GIẢN ĐỒ CHÒM SAO 16 QAM SAU GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU 49

HÌNH 4- 16: MÁY PHÁT RF-OFDM 50

HÌNH 4-17: MÔ HÌNH CỤ THỂ BÊN TRONG KHỐI OFDM CHANNEL 51

HÌNH 4-18: TUYẾN TRUYỀN DẪN TRÊN SỢI QUANG 51

HÌNH 4-19: KHỐI THU TÍN HIỆU RF-OFDM 52

HÌNH 4-20: PHỔ CỦA TÍN HIỆU RF-OFDM THÀNH PHẦN THỰC VÀ ẢO Ở MÁY PHÁT 52

HÌNH 4-21: TÍN HIỆU OFDM SAU KHI VÀO BỘ WDM MUX 4 KÊNH Ở PHÍA MÁY PHÁT 53

HÌNH 4-22: TÍN HIỆU OFDM SAU TUYẾN TRUYỀN QUANG VỚI 4 KÊNH Ở PHÍA THU 53

HÌNH 4-23: GIẢN ĐỒ CHÒM SAO CỦA HỆ THỐNG OFDM – WDM ROF Ở PHÍA GIẢI ĐIỀU CHẾ 54

HÌNH 4-24: BIỂU ĐỒ BER VÀ BIỂU ĐỒ MẮT CỦA HỆ THỐNG OFDM – WDM ROF 54

BẢNG 2-1: BẢNG PHÂN CHIA CÁC BĂNG SÓNG HOẠT ĐỘNG 19

BẢNG 3-1: BẢNG CHUYỂN ĐỔI TỪ MÃ BINARY SANG MÃ GRAY 33

BẢNG 4-1: THÔNG SỐ CÀI ĐẶT CHUNG CỦA HỆ THỐNG ROF-OFDM 40

BẢNG 4-2: CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA TUYẾN TRUYỀN QUANG 43

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần

số trực giaoWDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh quang theo bước

sóngMIMO Multi Input Multi Output Đa an ten phát, thu

IFFT Inverse FFT Biến đổi Fourier rời rạc nghịch

đảoFFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

ISI InterSymbol Interference Nhiễu liên ký tự

ICI InterChannel Interference Nhiễu liên kênh

FEC Forward Error Correcting Bộ sủa lỗi chuyển tiếp

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc nghịch

đảoDFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phươngDSSS Direct Sequence Spread Spectrum Chuỗi trải phổ trực tiếp

P/S Parallel to Serial Biến đổi song song sang nối

tiếpS/P Serial to Parallel Biến đổi nối tiếp sang song

songWiFi Wireless Fidelity Mạng không dây sử dụng sóng

vô tuyếnPAPR Peak to Average Power Ratio Tỉ số công suất đỉnh trung bìnhIEEE Institute of Electrical and

Electronic Engneers

Học viện kỹ thuật điện và điệntử

WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây

LAN Local Area Network Mạng cục bộ

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit

APD Avalanche Photodiode Photodiode quang thác

BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế dịch pha nhị phân

BS Base Station Trạm cơ sở

CS Central station Trạm xử lý trung tâm

MH Mobile Host Các thiết bị di động

Emission of Radiation kích thíchLED Light Emitting Diode Điôt phát quang

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng

MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập

MZM Mach-Zehnder Modulator Điều chế Mach- Zhender

PDA Personal Digital Assistant Thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá

nhân CATV Community Access Television Truyền hình cáp dây dẫn

PON Passive Optical Network Mạng quang thụ động

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

RoF Radio over Fiber Truyền tín hiệu vô tuyến trên

sợi quangWiMAX Worldwide Interoperability for

Microwave Access

Khả năng tương tác toàn cầuvới truy nhập vi ba

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÀ

CÔNG NGHỆ RADIO OVER FIBER

1.1 Hệ thống thông tin quang tổng quát

Thông tin quang có thể hiểu đơn giản là một phương thức dùng ánh sáng để truyềndẫn thông tin đi nơi khác Hình 1-1 minh hoạ hệ thống thông tin quang bao gồm cácthành phần chính như bộ phát quang, bộ thu quang , kênh truyền sợi quang và các

bộ khuếch đại

Hình 1-1: Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin quang [16]

Các tín hiệu vào bộ phát được mã hoá thành các tín hiệu ánh sáng chính là các tínhiệu điện được chuyển đổi thành tín hiệu quang để truyền đi qua kênh truyền sợiquang Tại bộ thu, các tín hiệu quang sẽ được chuyển đổi ngược lại thành tín hiệuđiện thông qua các bộ tách sóng quang Các tín hiệu sau đó sẽ được khuếch đại đểđảm bảo công suất truyền do các suy hao tuyến trong quá trính truyền tải thông tin

Hình 1-2: Cấu trúc bộ phát quang

 Nguồn quang

Trong hệ thống thông tin quang, ánh sáng do nguồn phát quang phát ra không phảitại một bước sóng mà tại một khoảng bước sóng nhất định Do đó, dẫn đến hiệntượng tán sắc và làm cho khoảng cách lẫn dung lượng truyền dẫn của tuyến quang

bị hạn chế đáng kể Độ rộng phổ nguồn LED phụ thuộc rất nhiều vào loại vật liệuchế tạo ra nguồn quang và ánh sáng có bước sóng 1,3 μm do LED chế tạo bằng bándẫn INGaAsP mang độ rộng từ 50-60nm Vì vậy LED thường chỉ được sử dụngtrong các hệ thống truyền dẫn quang sử dụng ứng dụng sợi quang đa mode và cự lytruyền dẫn ngắn cùng tốc độ truyền bit không quá 200Mb/s Hơn nữa, các kênhtruyền ánh sáng tại bước sóng 1550 nm (có suy hao thấp đối với sợi quang thuỷtinh) bị tán sắc khá lớn, tín hiệu quang phải đơn mode và có độ rộng phổ rất hẹp Vìvậy, LASER phát quang được ứng dụng trong trường hợp này

Việc tính toán công suất phóng vào sợi quang (launched power) rất quan trọng khithiết kế hệ thống thông tin quang Khi công suất lớn thì khoảng cách truyền dẫn sẽ

xa hơn, tốt hơn và khoảng cách giữa các trạm lặp (repeater), hoặc thậm chí các bộkhuếch đại (amplifier) trên đường truyền cũng đồng thời tăng lên Mặt khác, khikhoảng cách đường truyền xa thì tín hiệu dễ bị ảnh hưởng bởi các hiện tượng phituyến trên tuyến Do đó, công suất đưa vào sợi quang sẽ được tính toán phù hợp vànằm trong quy định chuẩn cho phép sao cho ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến

lên tín hiệu nằm mức chấp nhận được, và số thiết bị lặp là tối thiểu nhất Công suấtđược đo bằng đơn vị là dBm với công suất tham chiếu là 1mW:

P (dBm) =10 log10( P

Công suất đầu vào, đối với nguồn quang LED tương đối thấp (< -10 dBm) VớiLASER thì mức công suất có thể đạt tới 10 dBm Ngày này, việc ứng dụng LASERngày càng được ưu dùng hơn LED vì những lợi thế không thể nào thích hợp hơncho hệ thống truyền tải tốc độ cao tuyến xa

 Mạch điều chế tín hiệu quang

Mục đích chính là đưa thông tin cần truyền lên sóng mang quang Kiểu điều chếthường dùng là điều chế trực tiếp và điều chế ngoài Bộ điều chế trực tiếp có ưuđiểm là cấu trúc đơn giản, thường sử dụng cho các hệ thống thông tin không đòi hỏitốc độ quá cao (< 10Gbps) Các hệ thống đòi hỏi công suất quang lớn (> 30mW)như các mạng truyền dẫn cự ly xa hay mạng truyền hình cáp thì để chế tạo mạchđiều chế trực tiế hoạt động ổn định với dòng điện kích thích lớn trở nên phức tạp vàkhó khăn hơn và thử thách nhiều Do đó, đồ án này sẽ đi sâu vào phân tích về bộđiều chế ngoài Có hai bộ điều chế ngoài được sử dụng hiện nay: Mach- ZhenderModulator (MZM) và Electroabsorption Modulator (EA) Đồ án sẽ tập trung vào bộđiều chế MZ

Bộ điều chế Mach- Zhender MZM: là bộ điều chế được chế tạo bằng vật liệuLithium niobate (LiNbO3) có cấu trúc Mach- Zhender như Hình 1-3:

Hình 1-3: Sơ đồ hoạt động của bộ điều chế MZM [5]

Nguyên lý hoạt động của bộ điều chế ngoài Mach- Zhender là chiết suất của lớplithium niobate LiNbO3 thay đổi nếu ta đặt vào một nhánh của nó một điện áp.Nguồn sáng từ bộ điều chế được chia làm 2 nhánh khi nó đi qua ống dẫn sóng Khikhông có hiệu điện thế phân cực, cả 2 nhánh của tia tới sẽ không bị dịch pha, tạingõ ra chúng sẽ giao thoa với nhau vào tái tạo lại dạng sóng như Hình 1-4a [1].Khi có điện áp đặt vào thì một tia tới sẽ dịch pha 90o bởi vì chiết suất của ống dẫnsóng đó bị giảm đồng thời làm tăng vận tốc ánh sáng, giảm độ trễ Nhánh còn lại bịdịch pha -90o do chiết suất của ống tăng lên kéo theo vận tốc tăng và làm giảm độtrễ Kết quả là 2 nữa sóng ánh sáng tại ngõ ra của bộ điều chế MZM bị lệch phanhau và triệt tiêu lẫn nhau như Hình 1-4b Từ đó, có thể thấy được cường độ tínhiệu ánh sáng ngõ ra của MZM có thể được điều khiển bằng cách hiệu chỉnh điện

áp phân cực Bằng cách này, bất kỳ độ dịch pha của sóng ánh sáng tới ở hai nhánhcủa ống dẫn sóng cũng có thể hiệu chỉnh và kiểm soát được

Hình 1-4: Pha của sóng mang tín hiệu quang ngõ ra [5]

a) Không có điện áp b) Có điện áp điều khiển

Có 2 cách phân cực cho bộ MZM bao gồm phân cực đơn và phân cực đôi [4, tr128]

 Bộ MZM phân cực đơn:

Với VData là điện áp của dữ liệu và Vbias là điện áp phân cực một chiều.

 Linh kiện biến đổi quang  điện bán dẫn (photodiode)

Linh kiện biến đổi quang điện được biết đến trong thông tin quang là photodiodehay photodetector Chức năng chính của linh kiện này là biến đổi tín hiệu quangthành tín hiệu điện tại ngõ ra Hiện nay, các loại photodiode thường được dùng hiệnnay trong hệ thống thông tin quang chủ yếu là photodiode PIN và photodiode thác

lũ APD

1.1.3 Kênh truyền sợi quang

Kênh truyền sợi quang là thành phần quan trọng bậc nhất trong hệ thống thông tinquang vì nó đảm nhận vai trò truyền tải tín hiệu quang từ đầu phát đến đầu thu.Cáp sợi quang cơ bản gồm hai lớp là lớp lõi (core) có chiết suất là n1, lớp vỏ bọc(cladding) có chiết suất n2 Ánh sáng truyền trong sợi quang dựa vào hiện tượngphản xạ toàn phần giữa mặt phân cách lớp lõi và lớp vỏ bọc vì vậy mà chiết suất n1

luôn lớn hơn n2 [1] Sợi quang được phân loại thành sợi đơn mode và đa mode dựatheo số mode sóng truyền trên sợi Hình 1-7 và Hình 1-8 minh hoạ cấu tạo và phânloại của sợi quang

Hình 1-7: Cấu tạo cáp sợi quang [6]

Hình 1-8: Phân loại sợi quang [14]

Khi tín hiệu lan truyền trên cáp sợi quang thì chúng cũng bị tác động bởi các yếu tốlàm giảm chất lượng và hạn chế tốc độ truyền cũng như khoảng cách truyền tín hiệutrên sợi quang Các yếu tố của sợi quang ảnh hưởng đến truyền thông tin gồm có:suy hao, tán sắc, các hiện tượng phi tuyến xảy ra trên sợi quang

 Sợi quang đơn mode G.652 A

Theo khuyến nghị sử dụng sợi cáp thì G.652 liên quan đến đặc tính của cáp và sợiđơn mode thì sợi quang đơn mode được thiết kế để hoạt động tối ưu tại cửa sổ bướcsóng là 1310 nm Vì ở bước sóng này, sợi quang có hệ số tán sắc rất nhỏ thậm chíxấp xỉ bằng không Sợi quang cũng hoạt động ở bước sóng 1550 nm nhưng sợiquang G.652 A không đáp ứng tối ưu cho cửa sổ quang này Bảng 1-1 biểu diễn cácthông số kỹ thuật của sợi quang G.652 A theo tiêu chuẩn ITU [9]

Bảng 1-1: Thông số cơ bản của sợi cáp quang G.652 A [12]

Các thông số trên sợi quang

Đường kính trường mode

Bước sóng 1310 nmĐường kính lõi 8.6 – 9.5 μmmDung sai ± 0.6 μmmĐường kính lớp bọc

Đường kính 125.0 μmmDung sai ± 1 μmm

Suy hao uốn cong vi mô

Để đáp ứng nhu cầu đang gia tăng trong hệ thống truyền thông, việc tích hơp mạngcông nghệ quang và vô tuyến không dây là giải pháp đầy hứa hẹn RoF nghĩa là tínhiệu quang được điểu chế tại tần số vô tuyến và được truyền thông qua kênh truyềnsợi quang Công nghệ RoF là hệ thống giao thông có tiềm năng rất đáng kể trongviệc phục vụ thuê bao khách hàng cố định cũng như di động với dung lượng truyềntải cải thiện, tính linh hoạt quan trọng, băng thông lớn cùng với việc gia tăng tínhlưu động một cách đầy hiệu quả nhất là về chi phí

1.1.1.1 Sự kết hợp sợi quang và sợi vô tuyến

Ngày nay mạng băng thông rộng ngày càng đòi hỏi rất lớn trong chuyển phát thôngtin, các công nghệ truy nhập vô tuyến đang hướng dần về kiến trúc mạng cellular

kèm theo tăng tính di động cho các thiết bị trong mạng Bên cạnh đó, để tăng băngthông truyền, người ta sẽ áp dụng các kỹ thuật truy nhập tiên tiến hơn như WDMkết hợp OFDM Do vậy,xu hướng giảm kích thước các cell lại để tăng số user Sốlượng trạm thu phát cũng tăng lên cùng và dần chuyển sang hoạt động ở băng tầnmicrowave/milimeterwave (mm-wave) để tránh sự chồng lấn phổ với các băng tần

có sẵn Băng tần mm gồm những ưu điểm như:

f là tần số tính bằng MHz, d là khoảng cách tính bằng km.

Dựa vào công thức (1.4), ta thấy rằng khi tần số tăng lên bao nhiêu lần thì bán kínhphủ sóng của một trạm thu phát cũng bị giảm đi bấy nhiêu lần để bù cho suy hao.Thông thường khi muốn kết nối CS với các BS thì người ta hay sử dụng sợi quangvới những ưu điểm không thể thay thế được đó là băng thông lớn và suy hao bé,mỗi sợi quang có thể truyền được tốc độ hàng trăm Gbps với chiều dài lên đến hàngchục km Kỹ thuật để truyền dẫn tín hiệu vô tuyến từ CS tới BS, và ngược lại đượcgọi là kỹ thuật RoF, còn mạng truy nhập vô tuyến dựa trên kỹ thuật RoF được gọi làmạng truy nhập vô tuyến RoF gọi tắt là mạng RoF

OFDM là một công nghệ đầy hứa hẹn vì hiệu suất phổ cao và khả năng chống nhiễumạnh mẽ Hơn nữa, nó được thiết kế đặc biệt để cải thiện khả năng truyền dẫn hệthống cũng như gia tăng khoảng cách truyền dẫn qua kết nối sợi quang hay khôngkhí Gần đây, một số hệ thống truy cập dựa trên OFDM đã được đề xuất, chẳng hạnnhư điều biến OFDM WDM-PON, truy cập metro OFDM và hệ thống không dâyRoF-OFDM Tuy nhiên, hệ thống hội tụ của OFDM trong mạng WDM-RoF chưa

bao giờ được phân tích, có thể cải thiện hiệu quả quang phổ của hệ thống truy cậpkhông dây, cũng hỗ trợ tích hợp liền mạch giữa không khí và truyền dẫn quang học.Ngoài ra, công nghệ tái cấu trúc giảm chi phí và sự phức tạp trong trạm gốc (BS),trong khi một bộ điều biến tích hợp có thể được sử dụng để tạo ra tín hiệu RoF vàPON đồng thời ở trạm trung tâm (CS).

1.1.4 Tổng quan về kỹ thuật RoF

Công nghệ RoF (Radio over Fiber) nghĩa là tín hiệu quang được điều chế ở sóng tần

số và được truyền qua tuyến cáp quang Hệ thống RoF có cấu trúc như Hình 1-9

Hình 1-9: Một microcell CS – BS – MH trong kiến trúc RoF [1]

Một hệ thống RoF bao gồm thiết bị đầu cuối di động (MH), trạm cơ sở (BS) và trạmđiều khiển trung tâm (CS) Tín hiệu truyền giữa trạm CS và các trạm BS đượctruyền trên nền quang thông qua mạng lưới RoF

1.1.1.2 Thiết bị di động đầu cuối MH (Mobile Host)

Các MH là các thiết bị di động trong mạng đóng vai trò là các thiết bị đầu cuối cóthể là điện thoại đi động, máy tính xách tay có tích hợp chức năng, các PDA, haycác máy chuyên dụng khác có tích hợp chức năng truy nhập vào mạng không dây.1.1.1.3 Trạm cơ sở BS (Base Station)

- BS có chức năng: Phát sóng vô tuyến nhận được từ CS đến các MH và nhậnsóng vô tuyến nhận được từ MH truyền về cho trạm CS.

- BS không có chức năng: Xử lý tín hiệu và nó chỉ đơn thuần là biển dổi từthành phần điện sang quang hoặc ngược lại để truyền về hoặc nhận từ CS

- Trong mạng RoF, thì BS phải rất đơn giản Thành phần quan trọng nhất của

hệ thống là ăng-ten và thành phần chuyển đổi quang điện ở tần số RF

- Việc lắp đặt số lượng trạm BS để phủ sóng cho một vùng còn tuỳ thuộc vàobán kính phủ sóng của mỗi BS Thông thường, bán kính phục vụ của BSthường khá là nhỏ (vài trăm mét hoặc thấp hơn nữa chỉ vài chục mét) nên chỉ

có thể phục vụ được vài chục đến vài trăm các MH

1.1.1.4 Trạm trung tâm CS (Central Station)

- Tuỳ vào khả năng hệ thống RoF song mà mỗi CS có thể truyền tải tới các

BS ở khoảng cách xa, thậm chí hàng chục km Mỗi CS có thể kết nối tớinhiều BS khác nhau

- Đây là kiến trúc mạng tập trung nên tất cả các chức năng như định tuyến,cấp phát kênh, xử lý tín hiệu… đều được thực hiện ở CS Vì vậy, CS cóthể xem là thành phần quan trọng nhất trong kiến trúc mạng RoF

Một tuyến quang kết nối giữa BS và CS:

- Dùng để truyền tải tín hiệu quang từ BS đến CS và ngược lại

- Phụ thuộc vào khoảng cách truyền dẫn giữa BS và CS, sẽ có thêm cácthiết bị xử lý tín hiệu như bộ khuếch đại, bộ lọc nhằm đảm bảo chấtlượng tín hiệu tại ngõ ra

- Để tăng khoảng cách truyền dẫn và tăng chất lượng tín hiệu các bướcsóng quang Sợi đơn mode chuẩn thường dùng ở cửa sổ quang 1330 nmhoặc 1550 nm vì ở hai bước sóng này cơ bản có độ tán sắc và suy haothấp

- Để đảm bảo chất lượng thông tin thì cách truyền tín hiệu trên tuyến quang

là đơn hướng (simplex), vì vậy hệ thống yêu cầu hai sợi cho hai hướngtruyền (duplex)

Các đặc điểm quan trọng của mạng RoF:

- Các chức năng điều khiển như ấn định kênh, điều chế, giải điều chế đượctập trung ở CS nhằm đơn giản hoá cấu trúc của BS Các Bs có chức năngchính đó là chuyển đổi quang/điện, khuếch đại RF

- Kiến trúc mạng tập trung cung cấp khả năng cấu hình tài nguyên và cấpbăng thông động cho phép sử dụng băng thông hiệu quả hơn Hơn nữanhờ tính tập trung nên khả năng nâng cấp và quản lý mạng trở nên đơngiản hơn rất nhiều

- Nếu khắc phục các nhược điểm trong RoF, thì một CS có thể phục vụđược các BS ở rất rất xa kèm theo là tăng bán kính phục vụ của CS

Các tín hiệu vô tuyến truyền trên tuyến có thể là tín hiệu băng gốc (baseband data),tín hiệu được điều chế ở trung tần IF hoặc tín hiệu cao tần RF Các tín hiệu tạo raphải đáp ứng các thông số kỹ thuật theo yêu cầu của các ứng dụng không dây như

hệ thống GSM hoặc hệ thống viễn thông di động toàn cầu (UTMS), WLAN,WiMax [5]

1.1.5 Kỹ thuật truyền dẫn RoF

Khung cấu trúc tuyến RoF thường được phân loại dựa vào dải tần số hoạt động củacác tín hiệu vô tuyến được truyền, tín hiệu RF (tần số vô tuyến) này có thể đượcđiều chế lên băng tần RF (cao tần), IF (trung tần) hay sử dụng dữ liệu băng gốc(baseband) tuỳ vào từng mục đích sử dụng và khai thác

Trường hợp các tín hiệu băng gốc (baseband), được biến đổi trung tần IF nhằm mụcđích để đơn giản việc thực hiện các yêu cầu về thiết kế như (bộ lọc, bộ khuếch đại,

bộ lặp,…) vì việc xử lý tín hiệu tại tín hiệu trung tần đơn giản hơn nhiều, do cácthiết bị không cần hoạt động ở vùng tần số cao nên sẽ ổn định cộng với giá thành rẻ

hơn Để điều chế IF lên RF chúng ta thường sử dụng kỹ thuật nâng cao băng tầnbằng phương pháp trộn tần số [5].

Hình 1-10: Sơ đồ truyền tín hiệu RF trên tuyến RoF [1]

Đầu tiên, dữ liệu vô tuyến nhận được tại bộ phát và tuỳ theo mục đích sử dụng mà

ta có thể sử dụng tín hiệu băng thông gốc (baseband) hoặc điều chế lên băng tần IFhay RF Sau đó, tín hiệu RF này được điều chế thành dạng tín hiệu quang thông quacác phương pháp điều chế sóng mang quang như điều chế trực tiếp hoặc bộ điều chếngoài Tín hiệu quang được truyền trên sóng quang đi đến thiết bị thu Tại phía thu,

bộ chuyển đổi quang điện chuyển đổi quang điện chuyển sóng quang trở lại thànhdạng tín hiệu RF Bộ phận thu có thể có thêm bộ lọc và thiết bị khuếch đại để lọcnhiễu và tăng cường công suất tín hiệu do nhiễu và suy hao gây ra trên đườngtruyền quang

1.1.6 Các ưu thế của công nghệ RoF

Xét về truyền thông tin vô tuyến trên sợi quang so với phương pháp truyền vô tuyếnthông thường thì công nghệ RoF có các ưu điểm sau:

 Băng thông rộng

 Suy hao tín hiệu thấp

 Can nhiễu với tần số vô tuyến

 Giảm công suất tiêu thụ

 Phân bố tài nguyên động

 Vận hành linh hoạt

 Dễ dàng cài đặt và bảo dưỡng

1.1.7 Các ứng dụng trong thực tế của công nghệ RoF

Ngày này, các mô hình mạng sử dụng RoF đang dần được áp dụng và phát triển trênthế giới như Wireless Lan, mạng VCC, mạng truy cập WIMAX, MBS (MobileBroadband Services), VDS (Video Distribution Systems), … đồ án giới thiệu môhình mạng VCC (Vehicle Communication and Control)

1.1.1.5 Mạng VCC sử dụng công nghệ RoF

Kiểm soát phương tiện được cân nhắc như là một trong những ứng dụng tiềm năngcủa công nghệ RoF Các tần số giữa 63-64 GHz và 76-77 GHz đã được phân bổ chodịch vụ này ở châu âu Mục tiêu để cung cấp phạm vi bao phủ truyền thông di độngliên tục trên các tuyến đường chính dành cho các hệ thống truyền tải thông minh(ITS) chẳng hạn như hệ thống RVC (Road Vehicle Communication) và IVC (InterVehicle Communication)

Hệ thống ITS nhằm để cung cấp môi trường thông tin, cải thiện tính hiệu quả củaviệc di chuyển, giảm gánh nặng cho tài xế, và đóng góp cho sự cải thiện của môitrường [7] Để đạt được phạm vi mở rộng che phủ yêu cầu của mạng lưới đường xá,nhiều trạm cơ sở BS được đưa ra Điều này có thể được tiến hành đơn giản và chiphí thấp bằng cách đưa chúng qua hệ thống RoF, do đó sẽ đạt được hệ thống hoànchỉnh với giá thành hợp lý và đơn giản trong công tác quản lý

1.1.8 Các giới hạn của công nghệ RoF

Vì RoF liên quan đến điều chế tín hiệu tương tự và bộ phát hiện ánh sáng Vì vậy,các nhược điểm của tín hiệu bao gồm như nhiễu và méo dạng được kèm theo Điềunày rất quan trọng trong hệ thống truyền thông tương tự

- Nhiễu trong đường truyền sợi quang tương tự bao gồm tạp âm cường độtương đối của LASER, nhiễu pha LASER, nhiễu nổ của bộ tách sóng quang

và nhiễu nhiệt của bộ khuếch đại

- Trong hệ thống RoF, méo dạng chính do méo dạng phi tuyến của quá trìnhđiều chế và tán sắc sợi quang Đối với hệ thống RoF sử dụng sợi đơn modetán sắc màu là nguyên nhân làm tăng nhiễu pha sóng mang RF Mặt khác, hệ

thống dùng sợi đa mode thì tán sắc mode là thành phần chủ yếu gây méodạng tín hiệu.

Để khắc phục các méo dạng này thì các kỹ thuật bù trong thông tin quang có thểđược áp dụng tại bộ phát để tuyến tính hoá đặc tính điều chế và tại bộ thu thông quacác kỹ thuật ước lượng kênh và cân bằng kênh truyền

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT GHÉP KÊNH OFDM VÀ WDM

1.3 Tổng quan về kỹ thuật OFDM và WDM

Truyền thông vô tuyến rất cần thiết phải có sóng mang cao tần để truyền thông tin

đi xa và các kỹ thuật điều chế cho phép bố trí dữ liệu trên sóng mang OFDM là mộtdạng hình thức đặc biệt của điều chế đa sóng mang (MCM), nó bao gồm việc gửinhiều tín hiệu tại một thời điểm nhất định qua một số kênh tần số khác nhau, hoặccác sóng mang phụ

Truyền dẫn vô tuyến trên sợi quạng là một trong những công nghệ hiện đại nhấttrong hệ thống thông tin quang cung cấp sự hội tụ cực kỳ hiệu quả của mạng quang

và mạng truyền thông không dây WDM là kĩ thuật ghép kênh sử dụng cho hệ thốngmạng quang để ghép nhiều tín hiệu sóng mang trên sợi quang đơn mode (SMF)bằng cách sử dụng các bước sóng khác nhau của ánh sáng LASER đến các tín hiệusóng mang khác nhau Có thể xem đây là một giải pháp hứa hẹn cho nhu cầu sửdụng băng thông ngày càng cao Hệ thống RoF với WDM có thể được sử dụng cho

cả hai khoảng cách truyền ngắn và dài với tốc độ truyền tải dữ liệu cao Điều nàygóp phần cải thiện sự linh hoạt của hệ thống và cung cấp một vùng phủ sóng rất lớn

mà không làm tăng chi phí và sự phức tạp của hệ thống

Ghép thêm nhiều bước sóng để có thể truyền trên một sợi quang, không cần tăng tốc

độ truyền dẫn trên một bước sóng Công nghệ WDM có thể mang đến giải pháphoàn thiện nhất trong điều kiện công nghệ hiện tại Thứ nhất nó vẫn giữ tốc độ xử lýcủa các linh kiện điện tử ở mức 10 Gbps, bảo đảm thích hợp với sợi quang hiện tại.Thay vào đó, công nghệ WDM tăng băng thông bằng cách tận dụng cửa sổ làm việccủa sợi quang trong khoảng bước sóng 1260 nm đến 1675 nm Khoảng bước sóngnày được chia làm nhiều băng sóng hoạt động như minh hoạ trên Bảng 1-2 Thoạttiên, hệ thống WDM hoạt động ở băng C (do EDFA hoạt động trong khoảng băngsóng này) Về sau, EDFA có khả năng hoạt động ở cả băng C và băng L nên hệthống WDM hiện tại dùng EDFA có thể hoạt động ở cả băng C và băng L Nếu theo

chuẩn ITU-T, xét khoảng cách giữa các kênh bước sóng là 100 Ghz (đảm bảo khảnăng chống xuyên nhiễu kênh trong điều kiện công nghệ hiện tại), sẽ có 32 kênhbước sóng hoạt động trên mỗi băng Như vậy, nếu vẫn giữ nguyên tốc độ bit trênmỗi kênh truyền, dùng công nghệ WDM cũng đủ làm tăng băng thông truyền trênmột sợi quang lên 64 lần.

Bảng 2-1: Bảng phân chia các băng sóng hoạt động [4]

1.4 Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật OFDM

Trong kĩ thuật OFDM, luồng dữ liệu đầu vào nối tiếp tốc độ cao (R) được phânthành N chuỗi dữ liệu con song song với nhau, từ 1 đến N với tốc độ thấp hơn(R/N) Tiếp theo, N chuỗi con này được điều chế bởi N sóng mang phụ trực giao,các sóng mang này được tổng hợp lại rồi phát lên kênh truyền như Hình 2-1 Tạiphía thu, thì quá trình thu tin ngược lại

Hình 2-1: Sơ đồ quá trình phát tin OFDM [7]

Phổ của tín hiệu OFDM và tín hiệu FDM được mô tả như Hình 2-2

Hình 2-2: Hình dạng phổ của tín hiệu FDM và OFDM [7]

Chuỗi dữ liệu nối tiếp đầu vào tốc độ cao được chia thành các chuỗi con có tốc độthấp hơn, do đó tốc độ ký hiệu của các chuỗi con nhỏ hơn rất nhiều so với tốc độchuỗi phát gốc Nhờ vậy, việc ảnh hưởng của nhiễu liên ký tự ISI cũng như các hiệuứng trễ trải đa đường được giảm một cách đáng kể

1.5 Đặc tính trực giao của kỹ thuật OFDM

Trực giao được nhìn nhận như là đặc tính cho phép hàng loạt tín hiệu thông tin đượctruyền một cách lý tưởng trên kênh truyền chung và được phát hiện không có bất kì

sự can nhiễu nào vào kênh truyền và các tín hiệu hoàn toàn độc lập nhau OFDMđạt được trực giao trong miền tần số bằng cách phân bổ từng biểu tượng thông tinriêng biệt cho các sóng mang con trực giao Vì vậy, khi mất đi tính trực giao sẽ làmcác tín hiệu thông tin này gần như xuyên nhiễu lẫn nhau, điều này dẫn đến phía đầuthu gặp những khó khăn nhất định trong việc khôi phục lại được hoàn toàn tín hiệu

Hình 2-3: Phổ của các sóng mang trực giao [7]

1.6 Thực hiện biến đổi FFT/IFFT rời rạc

Tại máy phát của hệ thống OFDM, dữ liệu được phân bổ trong miền tần số và phéptính biến đổi fourier nhanh IFFT được áp dụng để điều chỉnh dữ liệu vào miền thờigian Tiếp đó, các dữ liệu ngõ ra khối FFT được bảo đảm là có giá trị thực nếu đốixứng liên hợp được triển khai cho dữ liệu ngõ vào Tại máy thu, khối FFT được sửdụng để phục hồi dữ liệu truyền đi ban đầu, nó cho phép thực hiện việc điều chế dữliệu trên các sóng mang hiệu quả hơn và nhờ vào sự tương tự giữa tính chuyển tiếp

và biến đổi nghịch cùng với những hiệu chỉnh nhỏ để có thể áp dụng cho cả quátrình điều chế và giải điều chế ở máy thu [11]

Giả sử rằng tín hiệu x(n) có chiều dài là N (n = 0,1, 2, …, N-1) có công thức biếnđổi DFT như sau:

X (k )= ∑

n=0

N−1x(n )e−j

2 π kn

N

, k = 0, 1, …, N-1 (2.1)Phép biến đổi IDFT có công thức như sau:

có thể thấy thời gian tính toán phép DFT gồm:

- Khoảng thời gian tiến hành phép nhân phức

- Khoảng thời gian thực hiện phép cộng phức

- Thời gian tiến hành đọc các hệ số e−j

2 π N

- Thời gian truyền số liệu

1.7 Sơ đồ hệ thống OFDM

Hình 2-4: Sơ đồ khối của hệ thống OFDM [7]

Hình 2-4 hiển thị sơ đồ khối của hệ thống truyền thông tin sử dụng kỹ thuật OFDM

Ở máy phát, dòng dữ liệu nhị phân tốc độ cao nối tiếp được đưa qua bộ chuyển đổiS/P thành N dòng con song song tốc dộ thấp hơn Mỗi chuỗi này được ánh xạ lên sơ

đồ điều chế số như (QAM,FSK,…) Tại ngõ ra các bộ điều chế, ta sẽ thu được mộtchuỗi số phức từ D0, D1, …, DN-1, trong đó Dk = Ak + jBk Chuỗi số phức này bắt đầu

đi vào bộ biến đổi IFFT:

1.8 Bộ chuyển đổi D/A và A/D

Như có thể quan sát ở Hình 2-4, bộ chuyển đổi số sang tương tự (DAC) là cần thiếtphải có để chuyển các giá trị mẫu rời rạc thành giá trị tương tự liên tục, và bộchuyển đổi tín hiệu tương tự sang lại số (ADC) để chuyển đổi tín hiệu nhận đượcliên tục sang lại các mẫu rời rạc

1.9 Ưu điểm và khuyết điểm của OFDM

1.1.9 Ưu điểm

- Có hiệu quả chống nhiễu đồng kênh hẹp

- Chống lại sự can thiệp của nhiễu liên ký tự (ISI) mạnh mẽ và mờ dần do sựtruyền lan nhiều đường

- Có thể dễ dàng thích ứng với các điều kiện kênh nghiêm trọng mà không có

sự cân bằng phức tạp

- Hiệu quả sử dụng quang phổ và băng thông tăng đáng kể

- Bộ lọc kênh phụ được điều chỉnh không bắt buộc (không giống như FDMthông thường) Giảm Fading chọn lọc theo tần số

- Độ phức tạp máy phát lẫn máy thu giảm đáng kể nhờ vào sử dụng thuật toánbiến đổi IFFT/ FFT

1.1.10 Khuyết điểm

Mặt khác, OFDM có một số nhược điểm Điều bất lợi nhất của OFDM là sự phứctạp, trong đó OFDM là một điều chế nhiều cực, điều này phức tạp hơn điều chếsóng mang đơn cũng như OFDM đòi hỏi một bộ khuếch đại điện tuyến tính hơn.Hơn nữa đầu thu sẽ gặp khó khăn trong việc quyết định vị trí định thời tối ưu đểgiảm ảnh hưởng của nhiễu ICI và nhiễu ISI

- Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR lớn phần vì tín hiệuOFDM là tổng của N thành phần được điều chế bởi các thành phần tần sốkhác nhau Do đó, khi các thành phần này đồng pha nhau chúng sẽ tạo ra ởngõ ra một tín hiệu có biên độ rất lớn Ngược lại khi chúng ngược pha thìchúng lại triệt tiêu nhau làm ngõ ra bằng 0 Vì vậy cần có các biện pháp hữudụng nhằm giảm tỉ số PARR của các tín hiệu OFDM trước khi chúng đượcđưa qua bộ khuếch đại công suất

- Nhạy cảm với vấn đề đồng bộ hoá tần số

- Nhạy với hiệu ứng Doppler

1.10 Nguyên tắc cơ bản kỹ thuật ghép kênh WDM

Trong hệ thống truyền thông tin trên sợi quang, ghép kênh theo bước sóng WDM(Wavelength Devision Multiplexing) là công nghệ ghép một tín hiệu quang manglên một sợi quang duy nhất bằng cách sử dụng các bước sóng khác nhau của ánhsáng Lazer Tại đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổnghợp lại qua bộ ghép kênh để truyền đi trên sợi quang Ngược lại, tại đầu thu, tín