Nghiên cứu đề xuất ứng dụng kỹ thuật RoF vào hệ thống thông tin phục vụ đường sắt (tt)

Nghiên cứu đề xuất ứng dụng kỹ thuật RoF vào hệ thống thông tin phục vụ đường sắtNghiên cứu đề xuất ứng dụng kỹ thuật RoF vào hệ thống thông tin phục vụ đường sắtNghiên cứu đề xuất ứng dụng kỹ thuật RoF vào hệ thống thông tin phục vụ đường sắtNghiên cứu đề xuất ứng dụng kỹ thuật RoF vào hệ thống thông tin phục vụ đường sắtNghiên cứu đề xuất ứng dụng kỹ thuật RoF vào hệ thống thông tin phục vụ đường sắtNghiên cứu đề xuất ứng dụng kỹ thuật RoF vào hệ thống thông tin phục vụ đường sắtNghiên cứu đề xuất ứng dụng kỹ thuật RoF vào hệ thống thông tin phục vụ đường sắtNghiên cứu đề xuất ứng dụng kỹ thuật RoF vào hệ thống thông tin phục vụ đường sắtNghiên cứu đề xuất ứng dụng kỹ thuật RoF vào hệ thống thông tin phục vụ đường sắtNghiên cứu đề xuất ứng dụng kỹ thuật RoF vào hệ thống thông tin phục vụ đường sắtNghiên cứu đề xuất ứng dụng kỹ thuật RoF vào hệ thống thông tin phục vụ đường sắt

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐẶNG THẾ NGỌC

Vào lúc: 09 giờ 30 phút ngày 06 tháng 01 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

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

vô tuyến qua sợi quang RoF vào hệ thống thông tin phục vụ đường sắt” nhằm cung cấp các dịch vụ internet tốc độ cao cho hành khách và truyền tải thông tin giám sát, điều hành, chỉ huy chạy tàu là rất cần thiết

Chương 1 - KỸ THUẬT TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN

QUA SỢI QUANG (RoF)

1.1 Giới thiệu hệ thống RoF

Công nghệ truyền sóng vô tuyến qua sợi quang RoF là phương pháp truyền dẫn tín hiệu vô tuyến đã được điều chế trên sợi quang Công nghệ này sử dụng các tuyến quang có

độ tuyến tính cao để truyền dẫn các tín hiệu RF (analog) đến các trạm thu phát Một hệ thống RoF có kiến trúc như Hình 1.1

Hình 1.1 Mô tả truyền dẫn RoF [2]

1.2 Các thành phần cơ bản của tuyến quang sử dụng RoF

Là trạm xử lý trung tâm Tùy vào khả năng của kỹ thuật RoF mà mỗi CS có thể phục

vụ các BS ở xa hàng chục km, nên mỗi CS có thể nối đến hàng ngàn các BS

1.2.4 Sợi quang:

Tuyến quang nối giữa BS và CS nhằm truyền dẫn tín hiệu giữa chúng với nhau

1.3 Đặc điểm của hệ thống RoF

1.3.1 Kiến trúc mạng RoF

Hình 1.2 CS – BS – MH một microcell trong kiến trúc RoF

Một tuyến RoF có kiến trúc như trên (hình 1.2) sẽ bao gồm ít nhất là thành phần biến đổi sóng vô tuyến sang quang, thành phần chuyển đổi quang thành sóng vô tuyến Các thành phần thuộc kiến trúc RoF không có chức năng quang như ăn-ten thu phát vô tuyến thuộc phần vô tuyến

1.3.2 Kỹ thuật truyền dẫn RoF

Hình 1.3 Sử dụng phương pháp điều chế với sóng mang quang [7]

Hình vẽ 1.3 giới thiệu một trong những cách truyền sóng vô tuyến trên sợi quang đơn giản nhất Đầu tiên, tín hiệu dữ liệu được điều chế lên tần số vô tuyến RF Tín hiệu ở tần số

RF này được đưa vào điều chế (cường độ) sang dạng quang để truyền đi Ở đây, ta sử dụng phương pháp điều chế cường độ đơn giản nhất là điều chế trực tiếp

1.3.3 Các phương pháp điều chế lên tần số quang

Có 3 phương pháp để truyền dẫn tín hiệu RF trên sợi quang bằng phương pháp điều chế cường độ là: (1) điều chế cường độ trực tiếp, (2) điều chế ngoài, (3) điều chế trộn nhiều ánh sang kết hợp(heterodyne)

1.3.4 Cấu hình tuyến RoF

Cáp quang

Cáp quang

Cáp quang

Có 4 cấu hình tuyến thường được sử dụng như hình 1.4 Trên thực tế có rất nhiều cải tiến để hoàn thiện mỗi cấu hình và phù hợp với yêu cầu thực tế Điểm chung nhất của 4 cấu hình này là ta thấy rằng cấu trúc BS không có một bộ điều chế hay giải điều chế nào cả Chỉ

có CS mới có các thiết bị đó, nằm trong Radio modem BS chỉ có những chức năng đơn giản để có cấu trúc đơn giản nhất

Trong mạng RoF, người ta sử dụng các kỹ thuật sau để phát và truyền dẫn các sóng milimet trên tuyến quang: Điều chế trộn nhiều sóng quang; Điều chế ngoài; Kỹ thuật nâng

và hạ tần; Bộ thu phát quang

Hình 1.4 Các cấu hình tuyến trong RoF [7]

1.3.5 Kỹ thuật điều chế trộn nhiều sóng quang (optical heterodyne)

Trong kỹ thuật optical heterodyne, hai hay nhiều tín hiệu quang được truyền đồng thời và chúng có tính quan hệ với nhau tới đầu thu Và một trong số chúng kết hợp với nhau (được gọi là tích với nhau) sẽ tạo ra được tín hiệu vô tuyến ban đầu

Hình 1.5 Sơ đồ khối kỹ thuật tách sóng hetorodyne

1.3.6 Bộ điều chế ngoài

Như đã tìm hiểu ở trên thì phương pháp điều chế trực tiếp có 2 nhược điểm chính sau đây:

 Băng thông bị hạn chế bởi tần số của laser diode

 Chirp hiện tượng này gây nên sự trải rộng của xung ánh sáng Chirp là một trong những vấn đề của laser DFB và nó là nhân tố gây ra giới hạn về tốc độ truyền tín hiệu

Để tránh được hai nhược điểm nói trên người ta sử dụng phương pháp điều chế ngoài Sơ đồ tổng quát điều chế ngoài được cho như hình vẽ

Hình 1.7 Sơ đồ khối bộ điều chế ngoài

Có 2 loại điều chế ngoài được sử dụng một cách rộng rãi đó là bộ điều chế ngoài Match Zender và bộ điều chế ngoài bức xạ electron Hình 1.8 mô tả cấu tạo của 2 bộ điều chế trên

Hình 1.8 a Cấu hình bộ điều chế Mach-Zehnder LiNbO3, b.Bộ điều chế bức xạ electron trên nền bán dẫn [7]

1.3.7 Kỹ thuật nâng và hạ tần

Điều chế Ánh sáng

Diode

Mạch điều khiển Laser

Bộ điều chế ngoài

Giao diện điện

Tín hiệu quang thu đƣợc

Bộ kết hợp búp

Bộ dao động nội

ω LO

Bộ tách sóng Mạch điện tử

Luồng bit

Thông tin

Hình 1.10 Sơ đồ khối bộ nâng tần

Kỹ thuật nâng và hạ tần giúp cho tín hiệu trên sợi quang có tần số IF trong miền điện Nhờ vậy mà nó hạn chế được hiện tượng tán sắc ảnh hưởng khá nghiêm trọng đến chất lượng của tín hiệu truyền đi nhất là tín hiệu tần số càng cao

1.3.8 Bộ thu phát quang

Cấu trúc của các BS đơn giản nhất có thể được thực hiện với một bộ thu phát quang như bộ thu phát bức xạ electro Những bộ thu phát này vừa có chức năng chuyển đổi O/E trên tuyến downlink đồng thời có thể chuyển đổi E/O cho tuyến uplink cùng một lúc (hình 1.11)

Hình 1.11 Bộ thu phát bức xạ electron EAT trong mạng [7]

1.3.9 Các đặc điểm quan trọng của mạng RoF

- Các chức năng điều khiển như ấn định kênh, điều chế, giải điều chế được tập trung ở

CS nhằm đơn giảm hóa cấu trúc của BS

- Các BS có chức năng chính đó là chuyển đổi quang/điện, khuếch đại RF và chuyển đổi điện quang

- Kiến trúc mạng tập trung cho phép khả năng cấu hình tài nguyên và cấp băng thông động (thành phần này có thể sử dụng băng thông thành phần khác nếu băng thông đó thực

sự rỗi) cho phép sử dụng băng thông hiệu quả hơn Hơn nữa nhờ tính tập trung nên khả năng nâng cấp và quản lý mạng đơn giản hơn

1.4 Một số ứng dụng của kỹ thuật RoF

1.4.1 Mạng di động

Điều chế cân bằng

Lọc thông dải

Với số lượng thuê bao di động ngừng tăng nhanh cùng với nhu cầu ngày càng lớn các dịch vụ băng rộng đã gây áp lực đòi hỏi các mạng di động phải tăng thêm dung lượng Bởi vậy, lưu lượng di động (GSM, UMTS hay LTE) có thể được truyền dẫn một cách hiệu quả giữa các CS và BS bằng cách tận dụng những lợi ích của sợi quang Các chức năng RoF khác như phân bổ dung lượng động cũng đem lại những ích lợi hoạt động đáng kể trong các mạng di động

1.4.2 Thông tin vệ tinh

Thông tin vệ tinh là một trong ứng dụng thực tiễn của kỹ thuật RoF, liên quan đến đầu xa của antenna của các trạm mặt đất Hệ thống sử dụng các tuyến sợi quang ngắn có chiều dài nhỏ hơn 1km và hoạt động tại tần số từ 1GHz đến 15GHz Bằng cách đó, các thiết

bị tần số cao có thể được lắp đặt một cách tập trung Với việc sử dụng của kỹ thuật RoF, các anten sẽ không cần đặt trong vùng điều khiển mà chúng có thể đặt cách xa nhiều km với nhiều mục đích khác nhau

1.4.4 Mạng cục bộ không dây (WLAN)

Mạng WLAN băng tần 60GHz thực hiện truyền từ BS (trạm trung tâm), tần số bộ dao động ổn định tại IF cùng với dữ liệu truyền qua sợi quang Sau đó, tần số bộ dao động được sử dụng để chuyển đổi dữ liệu lên sóng mm tại bộ chuyển tiếp (RS-trạm đầu xa) Điều này dẫn đến đơn giản hóa đáng kể các bộ chuyển tiếp đầu xa và qua đó đem lại hiệu quả thiết kế các trạm gốc

1.5 Kết luận chương

Chương này đã trình bày những vấn đề cơ bản nhất về RoF như: khái niệm, các thành phần trong hệ thống, các ưu nhược điểm cũng như ứng dụng của nó trong các hệ

thống: mạng tế bào, thông tin vệ tinh, mạng WLAN, mạng truyền thông cho các phương tiện giao thông

CHƯƠNG 2: MẠNG TRUY NHẬP KHÔNG DÂY SỬ DỤNG

CÔNG NGHỆ RoF

2.1 Mạng vô tuyến di động dựa trên kỹ thuật RoF

1.5.1 Đa truy nhập 2 lớp

Trong mạng truy nhập vô tuyến sử dụng kỹ thuật RoF, lớp vật lý bao gồm 2 lớp con

đó là lớp vô tuyến và lớp quang ở phía dưới Hình 2.1 mô tả 2 lớp quang và vô tuyến của mạng

Hình 2.1 Mạng không dây đa truy nhập 2 lớp

Kỹ thuật đa truy nhập ở lớp quang là rất đa dạng, nó có thể sử dụng kỹ thuật FDMA, CDMA, TDMA, WDM…

1.5.2 Tính đa dịch vụ của mạng RoF kết hợp kỹ thuật WDM

Hiện nay, hầu hết các mạng điều được thiết kế để truyền tải cho một dịch vụ nên độ linh hoạt của mạng không cao Thứ nhất đó là do băng thông của mạng chưa đủ lớn để phục

vụ nhiều dịch vụ cùng một lúc Thứ hai nữa đó là các loại dịch vụ khác nhau có các chuẩn khác nhau Do vây đã áp dụng kỹ thuật WDM để sử dụng băng thông sợi quang được hiệu quả hơn

2.2 Truyền sóng vô tuyến qua sợi quang trong WLAN

Kỹ thuật RoF được ứng dụng cho mạng WLAN sẽ là một trong những ứng dụng hứa hẹn nhất, với các BS chỉ thực hiện các chức năng đơn giản và được kết nối đến CS thông qua một sợi quang, các chức năng định tuyến và xử lý được tập trung tại CS

Đối với mạng WLAN, do cấu trúc mạng cần đơn giản, các thiết bị mạng sử dụng các

kỹ thuật đơn giản WLAN có đặc tính sau: (1) song công phân tần số và (2) khả năng thay đổi kênh RF động

Ứng dụng kỹ thuật RoF vào mạng WLAN hoạt động ở băng tần mm là một trong những ứng dụng đơn giản của kỹ thuật trên vào mạng truy nhập vô tuyến Với cự ly nhỏ, bán kính phủ sóng các picocell không cần quá lớn

2.3 Kỹ thuật RoF trong mạng truyền thông cho các phương tiện giao thông

Hệ thống RVC sử dụng kỹ thuật RoF được thể hiện trong hình 2-7, ở đây mỗi BS được kết nối liên tục đến một số lượng BS thông qua sợi quang, và mỗi BS ở đây là loại phục vụ cho mạng RVC với tầm phủ sóng rộng và các đặc tính phù hợp mạng

Hình 2.7 Mạng RVC dựa trên kỹ thuật RoF [7]

Hình 2.9 mô tả một VCZ bao gồm 3 cell và 3 frame được ấn định cho mỗi cell trong miền thời gian như thế nào khi sử dụng cùng một kênh RF Điều cần được nhấn mạnh ở đây

là trong mỗi chu kỳ của khung i thì chỉ có sự trao đổi thông tin của BS i với CS được thiết lập, BS trong một VCZ phải được điều khiển bởi CS để tìm ra khung thời gian thích hợp

Mạng đường trục

CS: Trạm trung tâm BS: Trạm gốc

Cáp quang

Hình 2.9 Ấn định khung trong khi di chuyển [7]

Mạng truyền thông Road Vehicle trong tương lai sẽ hoạt động ở băng tần mm để đạt được tốc độ dữ liệu cao hơn (từ 2-10Mbps) Đặc tính của mạng RVC là bán kính cell tương đối nhỏ và tính di động của các user cao, do đó cơ chế chuyển giao là một trong những vấn

đề quan trọng cần phải giải quyết trong mạng này

2.4 Kết luận chương

Trong chương này, tìm hiểu ứng dụng của kỹ thuật RoF lên ba kiểu mạng truy nhập

vô tuyến khác nhau Với 2 ứng dụng đầu, các ô có bán kính nhỏ và tính di động các user cao, do đó vấn đề quan trọng trong mạng này là quản lý tính đi động Vì vậy, làm rõ thêm giao thức MAC tích hợp khả năng chuyển giao nhanh và đơn giản dùng cho kiến trúc tập trung để phù hợp với mỗi loại mạng Với những kết quả trên, các mạng truy nhập vô tuyến băng rộng ứng dụng kỹ thuật RoF còn những vấn đề khó khăn cần giải quyết để có thể cạnh tranh với những mạng truy nhập vô tuyến ngày nay Tuy nhiên, với những gì tìm hiểu được thì RoF đang là một công nghệ hứa hẹn cho các dịch vụ vô tuyến đa phương tiện băng rộng

và dung lượng lớn trong tương lai

Đa khung

Vùng di động ảo

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT RoF VÀO HỆ THỐNG

THÔNG TIN ĐƯỜNG SẮT

1.5.3 Đặc điểm kỹ thuật và nhu cầu của mạng truyền thông đường sắt

Đường sắt là phương tiện vận chuyển hành khách bánh sắt có tốc độ trung bình và cao, khối lượng vận chuyển lớn, có khả năng vận chuyển ở cự ly ngắn và trung bình Hiện tại toàn bộ các tuyến đường sắt ở Việt Nam chưa có hệ thống các kênh vô tuyến để kết nối

dữ liệu từ trung tâm, ga, trạm trên mặt đất lên các đoàn tàu, các dịch vụ kết nối bao gồm dữ liệu để chỉ huy điều hành chạy tàu, Camera giám sát hành trình, Internet băng thông rộng, IPTV… cho hành khách trên tàu Công tác điều hành chạy tàu hoàn toàn là sử dụng thông tin tín hiệu mặt đất, còn đối với hành khách trên tàu có thể truy cập internet thông qua mạng 3G, 4G của các nhà mạng cung cấp dịch vụ viễn thông

Nhu cầu sử dụng các kênh thông tin, dữ liệu cho hành khách trên tàu và công tác điều hành chạy tàu là rất lớn: Các dịch vụ giải trí trực tuyến trên các đoàn tàu: TV, Internet,

Game online… đến hàng trăm Mb/s do đó đòi hỏi các kết nối di động tốc độ cao (số lượng người sử dụng đồng thời cao, tính khoảng 30% người sử dụng/một đoàn tàu 900 hành khách)

Yêu cầu đối với hệ thống nghiệp vụ điều hành chạy tàu: Trong tương lai, qui hoạch

của ngành Đường sắt theo các hướng như sau: Phát triển hệ thống tàu điện ngầm; nâng khổ đường hiện tại từ 1000mm lên 1435mm và phát triển đường sắt đôi, khi đó tốc độ đoàn tàu nâng lên (tàu tốc độ cao và tàu cao tốc)

Thiết bị tín hiệu nghiệp vụ phục vụ điều hành ĐSCT phải thực hiện được các chức năng chính sau đây (hình 3.2):

- Có kỹ thuật tự động hóa cao, thực hiện việc giám sát, khống chế và điều khiển các thiết

bị tín hiệu ga và khu gian (Centralized Train Control-CTC); điều khiển giải thể, dồn lập

và chỉnh bị tàu tại các Depo;

- Giám sát, khống chế tốc độ và tự động điều khiển đoàn tàu Hệ thống thiết bị tự động điều khiển đoàn tàu (Automatic Train Control –ATC)

Hình 3.2 Sơ đồ khối của hệ thống tín hiệu giao thông bánh sắt cao tốc

Từ những hiện trạng và các qui hoạch định hướng phát triển đường sắt trong tương lai ở trên Luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu giải pháp sử dụng kỹ thuật RoF nhằm xây dựng một truyền thông dùng riêng cho ngành Đường sắt, thiết lập các trạm gốc BS dọc đường sắt (Cellular trackside) để cung cấp các dịch vụ đa phương tiện băng rộng cho các hành khách trên tàu cũng như truyền tải các thông tin nghiệp vụ điều hành chạy tàu như minh họa trong hình 3.3

Hình 3.3 Ứng dụng kỹ thuật RoF vào hệ thống thông tin đường sắt

1.5.4 Các công nghệ hiện tại cung cấp trên đoàn tàu

Hiện tại hành khách đi tàu sử dụng các dịch vụ mạng băng rộng thông qua các mạng

di động dọc đường sắt (trackide) của các nhà cung cấp mạng viễn thông và vệ tinh (Hình 3.4) Vệ tinh có một số hạn chế, như khoảng thời gian trễ cao (khoảng 500 đến 600 ms), [4]

Hình 3.4: Các công nghệ truyền thông được sử dụng dọc đường sắt

Công nghệ di động cũng có một số hạn chế: Tốc độ di chuyển cao, số lượng truy cập cục bộ lớn, các trạm phát sóng bị ảnh hưởng bởi địa hình như đồi núi, đèo, hầm…

1.5.5 Yêu cầu về băng thông cung cấp trên đoàn tàu

Để cung cấp các dịch vụ có dung lượng cao cho người sử dụng trên tàu tốc độ cao, cần phải có một cách tiếp cận phân cấp, bao gồm một liên kết riêng giữa đường sắt và tàu, giữa tàu với người sử dụng (Hình 3.6)

Hình 3.6: Liên kết riêng giữa đường sắt và tàu, giữa tàu với người sử dụng

Để ước tính tổng băng thông cần thiết trên tàu, chúng ta cần đặt một giá trị về số lượng người dùng Các chuyến tàu tốc độ cao giữa các thành phố với nhau có thể chở khoảng từ 750 đến 1000 hành khách, và một số đoàn tàu hai tầng thậm chí được trang bị đến 1500 ghế ngồi hoặc hơn Trong giờ cao điểm, sức chứa của tàu sẽ gần như chiếm hết

chỗ trống và giả sử 10% hành khách muốn sử dụng truy cập băng thông rộng Như vậy chúng ta cần tổng băng thông từ 375 đến 500 Mb/s, thậm trí 750Mb/s cho một đôi tàu Những số liệu này tính riêng băng thông cho mỗi người dùng là 5Mb/s, [4]

1.5.6 Mô hình kiến trúc hệ thống thông tin phục vụ đường sắt dựa trên RoF

Hình 3.8 Mô hình kiến trúc hệ thống thông tin phục vụ đường sắt dựa trên RoF

Bằng cách mô phỏng, chúng ta có thể chứng minh được hoạt động chính xác của khái niệm di chuyển ô

Hình 3.9: Thiết lập mô phỏng để chứng minh khái niệm di chuyển ô [4]

Thay vì một mạng quang, hệ thống được mô phỏng trong môi trường Ethernet (hình 3.9) Bằng cách kết nối trạm điều khiển và RAU với hub hoặc switch và cho tất cả các nút một địa chỉ MAC chuyên dụng, có thể mô phỏng như sợi quang, qua đó trạm điều khiển sẽ gửi các gói tin đến từng RAU một cách riêng biệt Đặt ba khối RAU ở khoảng cách 200 m Mỗi khu vực có phạm vi phủ sóng 105 m, do đó có diện tích chồng lên nhau 10 m Sử dụng hai chuyến tàu, đi theo chiều ngược nhau với tốc độ 40m/s (tương ứng ~ 144km/h) Đoàn tàu thứ nhất bắt đầu từ RAU1 và di chuyển đến RAU3 trong khi đoàn tàu thứ hai đi theo chiều ngược lại Một luồng kiểm tra Giao thức chuỗi dữ liệu người dùng (UDP) được gửi ở