Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (tt)

Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (tt)Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (tt)Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (tt)Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (tt)Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (tt)Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (tt)Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (tt)Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (tt)Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (tt)

Vào lúc: giờ ngày tháng năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

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

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, trước nhu cầu sử dụng lưu lượng internet ngày càng tăng và sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống thông tin di động, yêu cầu mở rộng, nâng cấp

hệ thống mạng là hết sức cần thiết Để đảm bảo được nhu cầu băng thông hiện nay,

có nhiều công nghệ được nghiên cứu và đề xuất, trong đó có công nghệ quang thụ động ghép kênh quang phân chia theo thời gian và bước sóng (TWDM-PON) kết hợp với truyền thông quang qua không gian tự do (FSO) được quan tâm nhờ những

ưu điểm nổi bật của giải pháp kỹ thuật này Việc nghiên cứu tìm hiểu hệ thống kết hợp này đã và đang là nhu cầu cấp thiết trong việc nắm bắt và làm chủ các công nghệ truy nhập mới cho các hệ thống mạng di động trong tương lai Do vậy nội

dung luận văn “Phân tích hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng

kỹ thuật TWDM-PON và FSO” được tổ chức thành ba chương như sau:

Chương 1 - Tổng quan về công nghệ quang thụ động và truyền thông quang qua không gian tự do

Chương 2 - Hệ thống lai ghép giữa mạng quang thụ động và truyền thông quang qua không gian tự do

Chương 3 - Hiệu năng mạng truy nhập quang vô tuyến sử dụng kỹ thuật TWDM-PON và FSO

Mặc dù đã hết sức cố gắng trong quá trình nghiên cứu, nhưng luận văn chắc chắn sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự thông cảm

và góp ý, nhận xét của các thầy, cô để luận văn được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ QUANG THỤ ĐỘNG VÀ TRUYỀN THÔNG QUANG QUA KHÔNG GIAN TỰ DO

1.1 Giới thiệu chung

Với xu hướng hiện nay, các công nghệ mạng đường trục phát triển rất mạnh

mẽ, các dịch vụ viễn thông cũng chuyển hướng từ loại hình dịch vụ hướng dữ liệu thông thường sang loại hình dịch vụ hướng video (HDTV, hội nghị truyền hình,…) bên cạnh đó nhu cầu của người sử dụng cũng ngày càng tăng cao, hiện tượng nghẽn cổ chai ở mạng truy nhập là điều không thể tránh khỏi Để hạn chế xảy ra tắc nghẽn, cần phải tạo ra một đường truyền băng thông rộng, tốc độ cao và có khả năng nâng cấp được Có nhiều giải pháp được áp dụng để khắc phục vấn đề này ở phía mạng truy nhập, trong đó hai công nghệ nổi bật phải kể đến là: Truyền thông quang qua không gian tự do (FSO) và mạng quang thụ động (PON) Đây là hai công nghệ có những ưu điểm riêng biệt và được xem là giải pháp hữu ích cho mạng truy nhập [7]

1.2 Công nghệ quang thụ động

Mạng quang thụ động là một mạng quang điểm – đa điểm (P2MP) sử dụng các phần tử thụ động như: sợi quang, bộ ghép quang, các bộ chia quang,… để truyền dẫn tín hiệu từ nguồn tới đích Với khái niệm này, mạng PON sẽ không chứa bất kỳ một phần tử tích cực nào mà cần phải có sự chuyển đổi điện - quang Mỗi đầu cuối được kết nối tới mạng quang thông qua một bộ chia quang thụ động và không cần nguồn cấp, vì vậy không có các thiết bị điện chủ động trong mạng phân phối quang và băng thông được chia sẻ từ nhánh đến người dùng, cho phép một sợi quang đơn phục vụ nhiều nhánh cơ sở, thường là từ 16-128 [3]

1.2.1 Kiến trúc chung của mạng truy nhập quang thụ động

Một mạng quang thụ động điển hình bao gồm 3 thành phần: Thiết bị kết cuối đường quang (OLT), mạng phân phối quang (ODN), thiết bị mạng quang Trong mạng phân phối quang bao gồm các phần tử thụ động như sợi quang, các bộ chia, các bộ tách/ghép quang thụ động, các đầu nối và các mối hàn quang Phần tử tích cực như OLT sẽ nằm ở trạm trung tâm (CO) và ONU nằm ở phía người dùng Hình 1.1 là kiến trúc mạng quang thụ động điển hình

+ Thiết bị kết cuối đường quang (OLT)

+ Thiết bị mạng quang (ONU)

+ Mạng phân phối quang (ODN)

+ Hệ thống quản lý (EMS)

1.2.2 Các công nghệ truy nhập quang thụ động hiện tại

a) APON/BPON

Mạng APON/BPON được phát triển từ những năm 90, và không được quan tâm phát triển ở thời điểm đó do chỉ hỗ trợ dịch vụ ATM

Cấu trúc khung truyền dẫn cho APON:

- Đường xuống: Sử dụng công nghệ ghép kênh theo thời gian

- Đường lên: Sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian BPON là chuẩn trên nền APON Được bổ sung để hỗ trợ cho WDM ghép kênh phân chia theo bước sóng, cấp phát băng thông đường lên động và lớn hơn

b) GPON

GPON được mở rộng từ chuẩn BPON G.983 bằng cách tăng băng thông, nâng hiệu suất nhờ sử dụng gói lớn, có độ dài thay đổi và tiêu chuẩn hóa quản lý Thêm nữa, chuẩn cho phép vài sự lựa chọn của tốc độ bit: cho phép băng thông đường xuống là 2,488 Mbps và băng thông đường lên là 1,244 Mbps [3]

c) EPON

EPON là mạng trên cở sở PON mang lưu lượng dữ liệu gói trong các khung Ethernet được chuẩn hóa theo IEEE 802.3, hoạt động với tốc độ 1 Gbps Ở hướng xuống, EPON hoạt động như một mạng quảng bá Khung Ethernet được truyền bởi OLT qua bộ chia quang thụ động đến từng ONU (với N trong khoảng từ 4 đến 64)

Hệ thống EPON cung cấp băng thông trung bình là 31,25 Mbps trên mỗi ONU ở cả hướng xuống và lên, trong khi GPON với tốc độ truyền 2488 Mbps đối xứng ở hướng xuống và lên thì băng thông cấp cho mỗi ONU là 77,75 Mbps Điều này làm cho GPON hiệu quả hơn so với EPON

d) 10G-EPON và XG-PON

Nhằm mở rộng tốc độ truy nhập đường lên và đường xuống trong mạng PON hiện nay lên mức 10 Gbit/s trong khi vẫn bảo đảm khả năng tương thích ngược với các mạng PON đã được triển khai IEEE và ITU-T cùng với nhóm FSAN đã xác định giải pháp của họ là IEEE 802.3av 10G-EPON và ITU-T XG-PON

Mạng quang thụ động tốc độ 10 Gbit/s có một số đặc điểm chính sau [4]:

 Bước sóng: Đường lên từ 1260 nm đến 1280 nm, đường xuống từ 1575

nm đến 1580 nm, và 1575 nm đến 1581 nm (cho triển khai ngoài trời)

 Quỹ công suất: Lớp N1: 14 dB đến 29 dB, lớp N2: 16 dB đến 31 dB, quỹ

mở rộng : Nhỏ nhất 33 dB

 Tốc độ đường truyền: Đường lên 2,48832 Gbit/s, đường xuống 9,95328

Gbit/s

 Tỉ lệ chia: Tối thiểu 1:64, có khả năng mở rộng tới 1:128 và 1:256

 Phạm vi truyền dẫn vật lý tối đa: Tối thiểu 20 Km

 Phạm vi truyền dẫn logic tối đa: Tối thiểu 60 Km

1.2.3 Xu hướng phát triển của mạng quang thụ động

Sự phát triển trong công nghệ truy nhập quang cho đến nay có thể chia thành hai giai đoạn chính Giai đoạn đầu tiên bao gồm các mạng truy nhập quang tốc độ vài Gigabit hoặc thấp hơn Giai đoạn thứ hai là công nghệ truy nhập tốc độ 10 Gbit/s Tuy nhiên, nhu cầu băng thông đang ngày một tăng lên và bị chi phối chính bởi cuộc cách mạng về dịch vụ video như dịch vụ truyền hình theo yêu cầu, truyền hình Internet, chia sẻ video, Do vậy, các nhà cung cấp thiết bị và khai thác viễn thông cùng các tổ chức chuẩn hóa đã tích cực hợp tác để phát triển một thế hệ công nghệ truy nhập quang thụ động mới gọi là mạng truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp thứ hai (NG-PON2) Tháng 4 năm 2012, cộng đồng FSAN đã chính thức lựa chọn TWDM-PON là công nghệ giải pháp cho mạng truy nhập quang thụ động thế

hệ kế tiếp thứ 2, NG-PON2 Cho đến nay công nghệ truy nhập quang TWDM-PON vừa mới được chuẩn hóa và NG-PON3 vẫn đang được xúc tiến

1.3 Công nghệ truyền thông quang qua không gian tự do

1.3.1 Hệ thống truyền thông quang qua không gian tự do

Công nghệ truyền thông quang qua không gian tự do sử dụng sự truyền lan ánh sáng trong không gian tự do để truyền dữ liệu cho viễn thông hoặc mạng máy tính Đây là công nghệ truyền thông băng rộng tầm nhìn thẳng, trong đó tín hiệu

quang được truyền đi trong một búp sóng quang thay vì cáp quang như thông thường Một mạng truyền thông FSO điểm điểm bao gồm 2 bộ thu phát với khả năng cung cấp thông tin hai chiều

a) Bộ phát

Bộ phát có nhiệm vụ chính là điều chế dữ liệu gốc thành tín hiệu quang sau

đó truyền qua không gian tới bộ thu Bộ phát bao gồm các bộ điều chế và mạch điều khiển Bộ điều chế có nhiệm vụ điều chế bản tin thành tín hiệu quang thường dùng điều chế khóa đóng ngắt (on-off keying - OOK) Các nguồn dữ liệu được điều chế

và bức xạ vào nguồn quang Như vậy mức logic "một" được truyền bằng cách bật nguồn quang trong khi logic "không" được truyền bằng cách tắt nguồn quang b) Bộ thu

Bộ thu thực hiện việc khôi phục các dữ liệu đã được phát đi từ phía phát Bộ thu bao gồm các thành phần sau Bộ thu quang bao gồm bộ thu tín hiệu, bộ lọc quang, bộ tách sóng quang và bộ xử lý khôi phục dữ liệu đã gửi

c) Kênh không gian tự do

Không khí là kênh truyền dẫn của FSO, sự truyền lan tín hiệu quang qua không khí bị ảnh hưởng bởi 3 yếu tố chính là hấp thụ, tán xạ và nhiễu loạn Hệ số truyền của bức xạ quang qua một khoảng cách L có thể được mô hình hóa bằng luật Beer Lambert [12]

r e L

t

P T P

c) Bảo mật cao

d) Không cần xin cấp phép phổ tần

e) Dễ dàng triển khai

1.3.3 Các thách thức với hệ thống FSO

a) Ảnh hưởng của khí quyển

b) Hướng, bám và tìm kiếm (PAT)

1.4 Kết luận chương

Chương 1 trình bày tổng quan về mạng quang thụ động, giới thiệu các công nghệ quang thụ động, đồng thời cũng trình bày khái quát về các mạng quang thụ động thế hệ mới và xu hướng của mạng quang thụ động Nội dung chương này cũng khái quát lại các vấn đề về hệ thống mạng quang không dây FSO với các tính năng

và các thách thức đặt ra đối với FSO Đây là hai công nghệ rất hứa hẹn cho sự phát triển của mạng truy nhập quang Mục tiêu của luận văn là xem xét khả năng kết hợp hai công nghệ này để tạo ra hệ thống quang lai ghép PON và FSO nhằm tận dụng được hết ưu điểm của cả hai công nghệ

CHƯƠNG 2

HỆ THỐNG LAI GHÉP GIỮA QUANG THỤ ĐỘNG VÀ TRUYỀN THÔNG QUANG QUA KHÔNG GIAN TỰ DO

2.1 Giới thiệu chung

Hệ thống lai ghép giữa quang thụ động và quang vô tuyến là một công nghệ

bổ sung tuyệt vời cho các liên kết truyền thống, có khả năng khắc phục vấn đề về nút cổ chai vì cả hai công nghệ đều có thể hỗ trợ công suất cao và tính bảo mật cao trong mạng quang Đồng thời có khả năng giảm thiểu chi phí cơ sở hạ tầng của các mạng, cũng như cung cấp tính linh hoạt và khả năng triển khai nhanh chóng với chất lượng truyền dẫn bảo đảm Do đó có rất nhiều hệ thống lai ghép đã được đề xuất như: TDM-PON lai ghép với FSO, WDM-PON lai ghép với truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy (VLC),… và gần đây nhất là TWDM-PON lai ghép với FSO

2.2 Một số hệ thống lai ghép giữa quang thụ động và quang vô tuyến

2.2.1 Hệ thống lai ghép giữa TDM-PON và FSO

2.2.2 Hệ thống lai ghép giữa WDM-PON và VLC

2.3 Hệ thống lai ghép sử dụng công nghệ TWDM-PON và FSO

Hình 2.3 Kiến trúc mạng TWDM-PON

Các thông số cơ bản của mạng TWDM-PON [8][9]:

 Băng thông: 40 GBit/s

 Lưu lượng người dùng: 1 Gbit/s

 Tốc độ trên kênh truyền: 10 Gbit/s

 Số kênh bước sóng: 4 – 8

 Số lượng người sử dụng: 256

 Độ rộng bước sóng: 50 – 100 GHz

 Tầm với quang: 40 Km

 Tính năng bổ sung: Tương thích với các hệ thống PON cũ

b) Đặc điểm kỹ thuật của công nghệ TWDM-PON

- Yêu cầu kỹ thuật

 Mô hình kênh TWDM đa bước sóng

 4-8 cặp kênh TWDM

 Tỉ lệ đường lên và đường xuống trên mỗi kênh: 10-10 Gbit/s, 10-2,5 Gbit/s,

2,5-2,5 Gbit/s

 Tầm với quang thụ động: đạt tổi thiếu 40 Km

 Hỗ trợ bộ chia với tỉ lệ tối thiểu là 1: 256

 Hệ thống TWDM-PON đòi hỏi sự linh hoạt: Cân bằng giữa tốc độ, khoảng

cách, và tỷ lệ phân chia

- Yêu cầu dịch vụ

- Yêu cầu lớp vật lý

- Yêu cầu hệ thống

2.3.2 Mô hình hệ thống lai ghép giữa TWDM-PON và FSO

Hình 2.6 Mạng backhaul di động lai ghép TWDM-PON và FSO

Hình 2.6 là cấu trúc điển hình của mạng backhaul di động tốc độ gigabit dựa trên TWDM-PON và công nghệ FSO Kiến trúc mạng bao gồm phần mạng quang và phần liên kết không gian tự do Hệ thống TWDM-PON như đã tìm hiểu ở trên với 4 cặp bước sóng có khả năng cung cấp 40 Gbit/s và 10 Gbit/s tương ứng cho đường xuống và đường lên

2.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng kênh truyền

a) Kênh truyền TWDM-PON

- Suy hao sợi quang

Suy hao là một trong những đặc tính quan trọng của sợi quang ảnh hưởng đến thiết kế hệ thống thông tin quang vì nó xác định khoảng cách truyền dẫn tối đa giữa bộ phát quang và bộ thu quang hoặc bộ khuyếch đại quang trên đường truyền

+ Hệ số suy hao sợi quang: Khi ánh sáng lan truyền trong sợi quang, công

suất sẽ giảm dần dạng hàm mũ theo khoảng cách Nếu P(0) là công suất quang đi vào trong sợi (tại z = 0) thì công suất P(z) tại khoảng cách z sẽ giảm xuống bởi:

Trong đó p là hệ số suy hao của sợi quang có đơn vị là m-1 hoặc Km-1, z là khoảng cách truyền dẫn

+ Nguyên nhân gây suy hao: Có nhiều nguyên nhân gây suy hao tín hiệu

trong sợi quang, trong đó bao gồm các nguyên nhân chính như suy hao do hấp thụ, suy hao do tán xạ và suy hao do uốn cong

- Tán sắc sợi quang

Khi một xung quang lan truyền trong sợi, xung quang sẽ bị dãn rộng trong quá trình lan truyền Sự mở rộng xung gây ra bởi tán sắc do sự khác nhau về vận tốc lan truyền của các thành phần trong xung quang

+ Tán sắc mode

+ Tán sắc vận tốc nhóm

+ Tán sắc mode phân cực

b) Kênh truyền FSO

- Nhiễu loạn không khí

Chùm tia quang truyền qua khí quyển chịu tác động của nhiễu loạn khí quyển với pha và biên độ biến thiên ngẫu nhiên Nhiễu loạn khí quyển bao gồm nhiều khu vực dòng xoáy hình cầu với đường kính và chỉ số khúc xạ khác nhau

Các chùm tia quang truyền qua khí quyển ở không gian và thời gian khác nhau với chiết suất khác nhau, các chỉ số này không đồng nhất ở các quy mô khác nhau Sự không đồng nhất với quy mô lớn sẽ tạo ra hiện tượng khúc xạ khiến chùm tia phát

đi lệch so với hướng truyền ban đầu

+ Sự thăng giáng cường độ

+ Sự giãn xung

Cần phải chú ý rằng, mối quan hệ chính xác giữa độ rộng xung và cường độ nhiễu loạn là không tồn tại Hiện tượng giãn xung này gây ra sự xuyên nhiễu giữa các ký hiệu (ISI) của các xung gần kề nhau, do đó làm tăng tỉ số lỗi bit (BER) của

hệ thống

- Suy hao trong FSO

+ Môi trường truyền dẫn

+ Tổn hao công suất

+ Suy hao kênh truyền không khí

sự lệch hướng ngẫu nhiên

- Mô hình kênh nhiễu loạn không khí

Khi tín hiệu quang truyền qua các kênh FSO, biên độ và pha của tín hiệu dao động do nhiễu loạn khí quyển Nhiều mô hình thống kê của các biến động cường độ qua kênh FSO đã được đề xuất Với điều kiện nhiễu loạn yếu đến trung bình, phân

bố Log-normal thường được sử dụng, trong khi đó với điều kiện nhiễu loạn trung bình đến nhiễu loạn mạnh, phân bố Gamma-Gamma được sử dụng

+ Mô hình kênh Log – normal: Trường bức xạ (cường độ) trong môi trường

nhiễu loạn là

2

(r)

I  A trong khi cường độ trong không gian tự do (không có sự

nhiễu loạn) được cho bởi công thức

+ Mô hình kênh Gamma – Gamma: Mô hình nhiễu loạn

Gamma-Gamma được đề xuất bởi Andrews [13], sự thăng giáng của trường quang truyền qua khí quyển nhiễu loạn được giả thiết bao gồm các ảnh hưởng phạm vi nhỏ (tán xạ) và ảnh hưởng phạm vi lớn (khúc xạ) Các thăng giáng phạm vi lớn được tạo ra bởi các xoáy nhiễu loạn lớn hơn vùng Fresnel thứ nhất hoặc vùng tán xạ Các xoáy nhiễu loạn kích thước nhỏ được giả định được điều chế bởi các xoáy nhiễu loạn

kích thước lớn Do đó, cường độ trường quang thu chuẩn hóa I được xác định là tích của hai quá trình ngẫu nhiên độc lập thống kê X và Y