Đánh giá hiệu năng hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC QAM dưới ảnh hưởng của lỗi lệch tia (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI DƯƠNG HỮU ÁI ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ SC-QAM DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA LỖI LỆCH TIA Ngành: Kỹ thuật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

DƯƠNG HỮU ÁI

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ SC-QAM DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA LỖI LỆCH TIA

Ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã số: 9520208

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2018

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Hà Duyên Trung

2 PGS.TS Đỗ Trọng Tuấn

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Quốc Bình

Phản biện 2: PGS.TS Trịnh Anh Vũ

Phản biện 3: PGS.TS Vũ Văn San

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi……giờ, ngày … tháng … năm……

Có thể tìn hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

1

MỞ ĐẦU

1 Bối cảnh nghiên cứu

Truyền thông quang không dây (WOC) là công nghệ sử dụng sóng mang quang để truyền tải số liệu qua không gian Các ưu điểm nổi bật mà hệ thống truyền thông quang không dây có được bao gồm tốc độ truyền bit cao, không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ, không yêu cầu xin cấp phép tần số, chi phí hiệu quả, triển khai nhanh và linh hoạt Trong thời gian gần đây, các hướng nghiên cứu đối với truyền thông quang không dây đang nổi lên như là một công nghệ có thể phát triển cho các ứng dụng không dây băng rộng trong nhà và ngoài trời cho truyền thông không dây tương lai

Các hệ thống truyền thông quang không dây trong nhà điển hình bao gồm hệ thống truyền thông hồng ngoại (IR) và

hệ thống truyền thông sử dụng bước sóng ánh sáng nhìn thấy (VLC), các hệ thống này do được triển khai trong nhà và cự ly truyền dẫn ngắn nên ít chịu ảnh hưởng của môi trường không khí như suy hao, nhiễu loạn không khí, sự lệch tia giữa máy phát và máy thu Các hệ thống truyền thông quang không dây ngoài trời hay thường được gọi là truyền thông quang trong không gian tự do (FSO), là công nghệ truyền thông tin, dữ liệu giữa hai điểm sử dụng bức xạ quang như là tín hiệu mang tin

và được truyền qua các kênh truyền tự do Dữ liệu cần truyền được điều chế vào cường độ, pha, hoặc tần số của bức xạ quang mang tin Một đường truyền dẫn FSO về cơ bản là đường truyền dẫn thẳng (LOS) Do cự ly truyền dẫn xa, chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn nên việc triển khai

hệ thống FSO vẫn còn hạn chế Kênh truyền tự do có thể là trong không gian vũ trụ giữa các vệ tinh, dưới nước, trong khí quyển hoặc là sự kết hợp của các loại môi trường trên trong cùng một tuyến thông tin

Để có thể đáp ứng yêu cầu truyền thông băng rộng, cự ly

xa, hệ thống FSO cần vượt qua các thách thức như sự suy hao trong không khí, nhiễu loạn khí quyển dưới sự tác động của các

2

yếu tố thời tiết như sương mù, gió, mưa và tuyết, và có một số vấn đề khó khăn trong việc triển khai các hệ thống FSO bao gồm các tác động của sự tán xạ, hấp thụ, nhiễu loạn và sự lệch tia Trong các yếu tố này, nhiễu loạn của khí quyển và lỗi lệch tia là yếu tố tác động lớn nhất và đây là vấn đề được nghiên cứu nhiều nhất về hệ thống truyền thông quang không dây

2 Những vấn đề còn tồn tại

Các nghiên cứu trước đây cho việc cải thiện hiệu năng của

hệ thống FSO thường tập trung vào việc sử dụng các giải pháp

kỹ thuật một cách riêng lẻ mà chưa có sự kết hợp nhiều giải pháp kỹ thuật đồng thời, dẫn đến khả năng cải thiện hiệu năng còn hạn chế Chẳng hạn, một số nghiên cứu chỉ tập trung vào các kỹ thuật phân tập, một số tập trung vào các kỹ thuật điều chế, hoặc chuyển tiếp Gần đây có một số nghiên cứu đã có sự kết hợp sử dụng các kỹ thuật này nhưng thưc sự chưa nhiều, đặc biệt là các kỹ thuật điều chế như SC-QAM và OFDM Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào hệ thống FSO điểm-điểm, một số nghiên cứu về hiệu năng các hệ thống FSO chuyển tiếp đa chặng đã được thực hiện gần đây Tuy nhiên, đối với các hệ thống này chưa đánh giá một cách đầy đủ các tham số đường truyền, chẳng hạn ảnh hưởng của lệch tia và

kỹ thuật phân tập MIMO ít được xét tới

Hệ thống FSO chuyển tiếp kết hợp nhiều giải pháp kỹ thuật

và đánh giá đầy đủ các tham số đường truyền vẫn là một trong những thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu hiện nay

3 Mục tiêu của luận án

- Mục tiêu chính của luận án hướng tới là nghiên cứu tìm kiếm các giải pháp cải thiện hiệu năng của hệ thống truyền thông quang không dây dưới ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển và lỗi lệch tia

- Nghiên cứu, xây dựng biểu thức toán học của các tham số hiệu năng của hệ thống từ các kỹ thuật cải thiện hiệu năng đã được đề xuất đối với hệ thống truyền thông quang không dây FSO

3

4 Đóng góp khoa học của luận án

Đóng góp 1: Xây dựng mô hình giải tích và đánh giá hiệu năng hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC-QAM dưới ảnh hưởng của lỗi lệch tia

Đóng góp 2: Đề xuất sử dụng kỹ thuật MIMO nhằm làm giảm ảnh hưởng của lỗi lệch tia lên hiệu năng hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC-QAM

5 Bố cục luận án

Chương 1: Tổng quan về hệ thống FSO

Chương 2: Ảnh hưởng của lỗi lệch tia lên hiệu năng hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC-QAM

Chương 3: Giảm ảnh hưởng của lỗi lệch tia lên hiệu năng của hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật MIMO

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG FSO

1.1 Giới thiệu chương

Nội dung chính của chương sẽ tập trung khảo sát tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ thể hiện mức độ nhiễu loạn của khí quyển, mô hình trạng thái kênh L-N và G-G, mô hình pha-đinh

do lệch tia giữa máy phát và máy thu

1.2 Mô hình một hệ thống FSO

1.2.1 Máy phát

Chức năng chính của máy phát trong hệ thống FSO là điều chế dữ liệu nguồn vào bức xạ quang mang tin, bức xạ này sau

đó sẽ được truyền tải trên kênh truyền để tới máy thu

1.2.2 Kênh truyền dẫn khí quyển

Kênh truyền của một hệ thống FSO có thể là trong không gian vũ trụ giữa các vệ tinh, dưới nước, trong khí quyển hoặc là

sự kết hợp của các loại môi trường trên trong cùng một tuyến thông tin

1.2.3 Máy thu

Tại máy thu, tín hiệu quang được tập trung lại và được tách, giải điều chế và được xử lý thông tin

1.4.3 Mô hình nhiễu loạn Log-Normal

1.4.4 Mô hình nhiễu loạn Gamma-Gamma

1.4.5 Mô hình pha-đinh do lệch tia

Hàm phân bố xác suất của X p( )  gây ra bởi lỗi lệch tia được xác định bởi công thức:

2 2

2 1

0 0

1.5 Kỹ thuật MIMO và điều chế trong FSO

1.5.1 Giới thiệu về điều chế trong FSO

1.5.2 Điều chế biên độ cầu phương

do lệch tia

CHƯƠNG 2 ẢNH HƯỞNG CỦA LỆCH TIA LÊN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ SC-

QAM 2.1 Giới thiệu chương

Nội dung của chương này trình bày về ảnh hưởng của lệch tia lên hiệu năng hệ thống Với hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC-QAM, nghiên cứu sinh đã xây dựng mô hình giải tích khảo sát hiệu năng của hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển và lỗi lệch tia

2.2 Hệ thống FSO điểm-điểm sử dụng chuyển tiếp

Hệ thống FSO chuyển tiếp được minh họa trong Hình 2.1

Hình 2.1 Mô hình hệ thống FSO chuyển tiếp

Tín hiệu điện ở đầu ra của PD của nút đích sau khi qua c

nút chuyển tiếp được xác định như sau:

6

2.3 Mô hình trạng thái kênh truyền

Trạng thái kênh truyền X được mô hình hóa bởi biểu thức:

X X X X (2.7) trong đó, X suy hao đường truyền, l X nhiễu loạn khí quyển, a p

X lỗi lệch tia

2.3.1 Suy hao đường truyền

Sự suy hao của tín hiệu trong bầu khí quyển được xác định theo công thức Beer–Lambert như sau:

L( )

,(0)

là công suất bức xạ tại đầu phát, l là hệ số suy hao phụ thuộc vào bước sóng cũng như điều kiện thời tiết

2.3.2 Nhiễu loạn khí quyển

2.3.2.1 Mô hình nhiễu loạn Log-Normal

Hàm mật độ xác suất được xác định như sau:

1

2 1

2.3.2.2 Mô hình nhiễu loạn Gamma-Gamma

Hàm mật độ xác suất được xác định như sau:

Hàm mật độ xác suất được xác định bởi công thức (1.46)

2.4 Tổng hợp biến đổi tín hiệu cho toàn hệ thống

2.4.1 Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển

Trường hợp mô hình nhiễu loạn L-N

2 1

2

1 2

2.4.2 Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia

2.4.2.1 Nhiễu loạn khí quyển yếu

Hàm mật độ xác suất của SNR cho trường hợp L-N

2

2 0,5 1

2 2

0

0 2

0,5 2(c 1)( )

0,5ln( / X )1

2.4.2.2 Nhiễu loạn khí quyển từ trung bính đến mạnh

Hàm mật độ xác suất SNR cho trường hợp G-G

2 2

2 0

3,0 2

2.6.1 Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển

Các thông số đánh giá hiệu năng của hệ thống được cung cấp ở bảng 2.2

2.6.1.1 Nhiễu loạn khí quyển yếu

Hình 2.5, ASER được khảo sát theo tham số SNR của hệ thống với các giá trị khác nhau của khoảng cách truyền, sử dụng điều chế 8 4 QAM trong môi trường nhiễu loạn khí quyển yếu

Hình 2.5 ASER biến đổi theo SNR của hệ thống với các giá trị

9

Kết quả cho thấy rằng khi SNR càng tăng lên thì tỷ lệ lỗi ký

tự trung bình càng giảm, ở vùng giá trị lớn của SNR thì ASER giảm mạnh khi SNR tăng Trong trường hợp cụ thể, tăng khoảng cách kênh truyền từ L2000 mđến L6000 mvà

8000 m,

L giá trị ASER tăng đáng kể ở vùng giá trị lớn, hiệu năng của hệ thống bị suy giảm Vì vậy, để hệ thống đạt được hiệu năng mong muốn ta cần tăng số trạm chuyển tiếp khi tăng khoảng cách kênh truyền Ví dụ như với L 6000 m khi tăng số trạm từ c0 đến c1 và từ c1 đến c2 kết quả SNR giảm tương ứng là 3 dB và 2 dB, tương ứng giá trị ASER 10  7

2.6.1.2 Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh

Hình 2.7 ASER biến đổi theo SNR của hệ thống với các giá trị của khoảng cách kênh truyền L = 2000 m, 6000 m, và 8000 m

Hình 2.7 mô tả sự biến đổi của ASER theo SNR của hệ thống với các giá trị của khoảng cách kênh truyền L2000 mđến L6000 m và L8000 m, sử dụng điều chế 8×4 QAM

và hệ số khuếch đại của các trạm chuyển tiếp P AF 2 dB Các kết quả thể hiện hiệu năng của hệ thống được cải thiện khi giảm khoảng cách kênh truyền và tăng số trạm chuyển tiếp Cụ thể, tại L6000 m, tăng số trạm chuyển tiếp từ c0 đến

10

1

c hoặc từ c1 đến c2, SNR của hệ thống giảm khoảng

5dB tại giá trị ASER 10  3

2.6.2 Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia

2.6.2.1 Nhiễu loạn khí quyển yếu

Hình 2.14 thể hiện sự biến đổi của ASER so với tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR với các giá trị bán kính tia phát

0 0, 020 m, 0, 022 m, 0, 024 m

trạm chuyển tiếp c1 và không có trạm chuyển tiếp c0 Từ hình ta thấy rằng càng tăng giá trị SNR thì giá trị của ASER càng giảm, giá trị này giảm mạnh trong vùng giá trị lớn của SNR thì ASER Các kết quả mô phỏng (phương pháp mô phỏng Monte-Carlo) cho các trường hợp c1 và c0 theo các giá trị bán kính tia phát cho thấy sự phù hợp giữa mô hình

hệ thống và kết quả tính toán

Hình 2.14 ASER biến đổi theo SNR của hệ thống với các giá

2.6.2.2 Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh

Hình 2.16 thể hiện mối quan hệ giữa ASER và độ lệch chuẩn jitter s với các giá trị trạm chuyển tiếp c0, 1, 2,trong điều kiện nhiễu loạn từ trung bình đến mạnh,

c = 0

c = 1

 SNR = 22 dB

2.7 Dung lượng kênh trung bình

2.7.1 Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển

Dung lượng kênh truyền của hệ thống được xác định

2

0 Blog 1 ( ) ,

C    f  d (bit/s/Hz), (2.51)

2.7.1.1 Nhiễu loạn khí quyển yếu

Thực hiện tính toán, biến đổi, dung lượng kênh trung bình của hệ thống FSO chuyển tiếp trong trường hợp mô hình kênh L-N được xác định bởi công thức

1 0

12

2.7.1.2 Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh

Tương tự, dung lượng kênh truyền trung bình của hệ thống FSO chuyển tiếp trong trường hợp mô hình kênh G-G được xác định bởi biểu thức

2.7.2 Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia

2.7.2.1 Nhiễu loạn khí quyển yếu

Với hệ thống FSO kết hợp kênh truyền MIMO, dung lượng kênh của hệ thống được xác định bởi biểu thức (1.53)

Dung lượng kênh trung bình của hệ thống trong trường hợp

mô hình kênh L-N được xác định

0

1 2 0,5

1 2

2.7.2.2 Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh

Dung lượng kênh truyền trung bình của hệ thống trong trường hợp mô hình kênh G-G được xác định như sau:

 

1 2

0

2 5,1

13

2.7.3 Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống FSO với tham

số ACC

2.7.3.1 Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển

Hình 2.19 mô tả sự biến đổi của ASE theo SNR của hệ thống với các giá trị khác nhau của số trạm chuyển tiếp, và

khoảng cách kênh truyền L = 2000 m, hệ số khuếch đại của

mỗi trạm chuyển tiếp P AF  2 dB. Ta thấy rằng ASE phụ thuộc mạnh vào mức độ nhiễu loạn không khí và tăng số trạm chuyển tiếp, sự ảnh hưởng này trở nên mạnh hơn khi khoảng cách kênh truyền càng lớn

Hình 2.19 ASE biến đổi theo SNR của kênh truyền FSO với nhiễu loạn khí quyển từ yếu đến mạnh, khoảng cách kênh

truyền L = 2000 m , và số trạm chuyển tiếp c = 0,1, 2

2.7.3.2 Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia

Hình 2.23 mô tả sự biến đổi của ASE theo SNR của hệ thống với các giá trị khác nhau của độ lệch chuẩn, 0,1 , 0, 2 , 0, 25

0 1 2 3 4 5 6

14

ASE vào mức độ nhiễu loạn là bé, ASE phụ thuộc mạnh vào mức độ nhiễu loạn khí quyển

Hình 2.23 ASE biến đổi theo SNR với các giá trị khác nhau

2.8 Kết luận chương 2

Chương 2 đã trình bày đóng góp của nghiên cứu sinh trong việc xây dựng mô hình giải tích khảo sát hiệu năng và giải pháp cải thiện hiệu năng của hệ thống thông tin quang không dây FSO Kết quả khảo sát hiệu năng cho thấy rằng, kỹ thuật chuyển tiếp giúp cải thiện đáng kể hiệu năng và cự ly truyền dẫn của hệ thống Việc thiết lập các tham số thông thường, tham số hệ số khuếch đại của trạm chuyển tiếp được xác định

để đạt được cự ly truyền dẫn và giá trị hiệu năng yêu cầu

CHƯƠNG 3 GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA LỆCH TIA LÊN HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG FSO CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG KỸ

THUẬT MIMO 3.1 Giới thiệu chương

Nội dung của chương này trình bày đóng góp của nghiên cứu sinh trong việc đề xuất mô hình và giải pháp cải thiện hiệu năng hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật phân tập

0 1 2 3 4 5 6

15

không gian MIMO và điều chế SC-QAM Với hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật phân tập không gian MIMO [C1], nghiên cứu sinh đã xây dựng mô hình giải tích khảo sát hiệu năng của hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển [J1], [C2] và chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia [J2], [J3], [C1]

3.2 Hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng phân tập MIMO

Hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật MIMO được thể hiện như Hình 3.1

Hình 3.1 Hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật MIMO

Tín hiệu điện tại đầu ra của bộ giải điều chế M N QAM của

hệ thống M N FSO sử dụng c trạm chuyển tiếp được xác định:

3.3 Mô hình trạng thái kênh truyền

Trạng thái kênh truyền X của hệ thống như đã xét trong phần 2.3, mô hình trạng thái kênh được xác định bởi công thức (2.7)

3.4 Tổng hợp biến đổi tín hiệu cho toàn hệ thống

3.4.1 Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển