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

Các hệ thống truyền thông quang không dây trong nhà điển hình bao gồm hệ thống truyền thông hồng ngoại Infrared Radiation_IR và hệ thống truyền thông sử dụng bước sóng ánh sáng nhìn thấy

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2018

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS HÀ DUYÊN TRUNG

2 PGS.TS ĐỖ TRỌNG TUẤN

Hà Nội – 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này

là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh

và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác Các kết quả đạt được trong luận án là chính xác và trung thực, tất cả các kế thừa của các tác giả khác đã được trích dẫn

Hà Nội, ngày 02 tháng 07 năm 2018

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Hà Duyên Trung và PGS TS Đỗ Trọng Tuấn đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, định hướng, động viên kịp thời trong suốt thời gian tác giả thực hiện luận án, đồng thời hỗ trợ tôi về nhiều mặt

để tôi có thể hoàn thành bản luận án này

Qua đây tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn đến Viện Điện tử - Viễn thông và Viện Đào tạo sau đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu Đồng thời, xin gửi lời cảm ơn các thầy cô, các anh chị, các bạn đồng nghiệp đã hỗ trợ tôi về nghiên cứu và học thuật cũng như trong công tác chuyên môn

Cuối cùng, tôi xin dành những lời cảm ơn và yêu thương nhất đến mọi thành viên trong gia đình, sự động viên, giúp đỡ của họ là động lực mạnh mẽ giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án này

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 02 tháng 07 năm 2018

Tác giả luận án

Dương Hữu Ái

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii

CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN xii

MỞ ĐẦU xv

1 Bối cảnh nghiên cứu xv

2 Những vấn đề còn tồn tại xix

3 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu xx

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án xxi

5 Phương pháp nghiên cứu xxi

6 Đóng góp khoa học của luận án xxi

7 Bố cục luận án xxii

CHƯƠNG 1 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG FSO 1

1.1 Giới thiệu chương 1

1.2 Mô hình một hệ thống FSO 1

1.2.1 Máy phát 2

1.2.2 Kênh truyền dẫn khí quyển 3

1.2.3 Máy thu 5

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng lên hiệu năng hệ thống FSO 7

1.4 Mô hình kênh truyền 8

1.4.1 Giới thiệu về nhiễu loạn không khí 8

1.4.2 Tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ 9

1.4.3 Mô Hình nhiễu loạn Log-Normal 13

1.4.4 Mô hình nhiễu loạn Gamma-Gamma 17

1.4.5 Mô hình pha-đinh do lệch tia 19

1.5 Kỹ thuật MIMO và điều chế trong FSO 22

1.5.1 Giới thiệu về điều chế trong FSO 22

1.5.2 Điều chế biên độ cầu phương 23

1.5.3 Kỹ thuật phân tập MIMO 24

1.6 Các thông số đánh giá hiệu năng của hệ thống 26

1.6.1 Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình 26

1.6.1.1 Hệ thống SISO/FSO 26

1.6.1.2 Hệ thống MIMO/FSO 26

1.6.2 Dung lượng trung bình 27

1.6.2.1 Hệ thống SISO/FSO 27

1.6.2.2 Hệ thống MIMO/FSO 27

1.7 Kết luận chương 1 28

CHƯƠNG 2 29

ẢNH HƯỞNG CỦA LỖI LỆCH TIA LÊN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ SC-QAM 29

2.1 Giới thiệu chương 29

2.2 Hệ thống FSO điểm-điểm sử dụng chuyển tiếp 30

2.3 Mô hình trạng thái kênh truyền 32

2.3.1 Suy hao đường truyền 32

2.3.2 Nhiễu loạn khí quyển 33

2.3.2.1 Mô hình nhiễu loạn Log-Normal 34

2.3.2.2 Mô hình nhiễu loạn Gamma-Gamma 36

2.3.3 Lỗi lệch tia 37

2.4 Tổng hợp biến đổi tín hiệu cho toàn hệ thống 38

2.4.1 Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển 38

2.4.2 Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia 39

2.4.2.1 Nhiễu loạn khí quyển yếu 39

2.4.2.2 Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh 40

2.5 Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình 42

2.6 Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống FSO với tham số ASER 43

2.6.1 Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển 43

2.6.1.1 Nhiễu loạn khí quyển yếu 44

2.6.1.2 Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh 45

2.6.2 Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia 47

2.6.2.1 Nhiễu loạn khí quyển yếu 47

2.6.2.2 Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh 51

2.7 Dung lượng kênh trung bình 54

2.7.1 Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển 54

2.7.1.1 Nhiễu loạn khí quyển yếu 54

2.7.1.2 Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh 55

2.7.2 Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia 56

2.7.2.1 Nhiễu loạn khí quyển yếu 56

2.7.2.2 Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh 57

2.7.3 Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống FSO với tham số ACC 58

2.7.3.1 Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển 58

2.7.3.2 Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia 61

2.8 Kết luận chương 2 63

CHƯƠNG 3 65

GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA LỖI LỆCH TIA LÊN HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG FSO CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG KỸ THUẬT MIMO 65

3.1 Giới thiệu chương 65

3.2 Hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật MIMO 66

3.3 Mô hình trạng thái kênh truyền 67

3.4 Tổng hợp biến đổi tín hiệu cho toàn hệ thống 69

3.4.1 Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển 69

3.4.2 Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia 70

3.4.2.1 Nhiễu loạn khí quyển yếu 70

3.4.2.2 Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình điến mạnh 71

3.5 Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình 71

3.6 Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống FSO với tham số ASER 72

3.6.1 Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển 73

3.6.1.1 Nhiễu loạn khí quyển yếu 73

3.6.1.2 Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh 74

3.6.2 Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia 76

3.6.2.1 Nhiễu loạn khí quyển yếu 76

3.6.2.2 Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh 80

3.7 Dung lượng kênh trung bình 83

3.7.1 Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển 83

3.7.1.1 Nhiễu loạn khí quyển yếu 83

3.7.1.1 Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh 84

3.7.2 Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia 85

3.7.2.1 Nhiễu loạn khí quyển yếu 85

3.7.2.2 Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh 85

3.7.3 Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống FSO với tham số ACC 86

3.7.3.1 Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển 86

3.7.3.2 Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia 90

3.8 Kết luận chương 3 92

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 103

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ACC Average Channel Capacity Dung lượng kênh trung bình

AF Amplify-and-Forward Khuếch đại và chuyển tiếp

APD Avalanche Photodiode Đi-ốt quang thác lũ

ASE Average Spectral Efficiency Hiệu suất phổ trung bình

ASER Average Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng

CEP Conditional Error Probability Xác suất lỗi có điều kiện

DF Decode-and-Forward Giải mã và chuyển tiếp

DSL Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số

EGC Equal Gain Combining Bộ tổ hợp với cùng độ lợi

FEC Forward Error Correction Sửa lỗi hướng đi

FSO Free-Space Optics Truyền thông quang trong không

gian tự do

HV-Day Hufnagel-Valley Day Model Mô hình HV-Day

HV-Night Hufnagel-Valley Night Model Mô hình HV-Night

IM/DD Intensity Modulation with Direct

Detection

Điều chế cường độ tách sóng trực tiếp

IM Intensity Modulation Điều chế cường độ

LED Light Emitting Diode Đi-ốt phát quang

MIMO Multipe-Input Multipe-Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

OWC Optical Wireless Communications Truyền thông quang không dây PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất

PPM Pulse-Position Modulation Điều chế vị trí xung

PSK Phase-shift Keying Điều chế khóa dịch pha

QAM Quadrature Amplitude

SLC-Day Submarine Laser Communication

SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

VLC Visible Light Communication Truyền thông ánh sáng nhìn thấy

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống FSO với sự sự nhiễu loạn không khí 1Hình 1.2 Tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ thay đổi theo độ cao của các mô hình khác nhau Với mô hình HV-Day, A= 1,7×10 m -14 -2 / 3và vận tốc gió v = 5,3m/ s 10Hình 1.3 Tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ theo các giờ trong ngày được xác định từ

dữ liệu của trạm khí tượng thu thập được vào tháng 06 tại thành phố Hà Nội, Việt Nam [72] 12Hình 1.4 Hàm mật độ xác suất của phâm bố L-N với các tham số chỉ số nhấp nháy khác nhau 16Hình 1.5 Hàm mật độ xác xuất của phân bố G-G với các tham số chỉ số nhấp nháy khác nhau 18Hình 1.6 Hàm mật độ xác xuất của phâm bố G-G và L-N với các tham số chỉ số nhấp nháy khác nhau 19Hình 1.7 Sự lệch vùng chùm tia tới với vùng khẩu độ máy thu [1] 20Hình 2.1 Mô hình hệ thống FSO chuyển tiếp 30 Hình 2.2 Nút nguồn, nút chuyển tiếp và nút đích của hệ thống FSO chuyển tiếp 31 Hình 2.3 Hàm mật độ xác suất của phân bố L-N với trạm chuyển tiếp khác nhau 35 Hình 2 4 Hàm mật độ xác suất của phân bố G-G với trạm chuyển tiếp khác nhau 37 Hình 2.5 ASER biến đổi theo SNR của hệ thống với các giá trị khác nhau của

khoảng cách truyền L sử dụng điều chế 8× 4 QAM và số trạm chuyển tiếp

c = 0, 1, 2 44 Hình 2.6 ASER biến đổi theo SNR của hệ thống với khoảng cách truyền

chuyển tiếp c = 0,1, 2 45 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 sử dụng điều chế 8× 4 QAM và hệ

số khuếch đại P = 2 dB AF 46 Hình 2.8 ASER biến đổi theo SNR với hệ thống với khoảng cách kênh truyền

3000 m

L , các mức điều chế 4× 4 QAM, 8×4 QAM và 8×8 QAM, và số trạm

chuyển tiếp c = 0,1, 2 46 Hình 2.9 ASER biến đổi theo bán kính tia tại phía phát 0 với các giá trị khác nhau

của bán kính khẩu độ thu r , khoảng cách truyền L = 1000 m, s = 0,35 m, SNR = 22 dB 47

Hình 2.10 ASER biến đổi theo bán kính tia tại phía phát0 với các giá trị khác nhau của s, khoảng cách truyền L = 1000 m, r = 0,075 m, SNR = 22 dB 48 Hình 2.11 ASER biến đổi theo s, với các giá trị khác nhau của 0, khoảng cách truyền L = 1000 m, bán kính khẩu độ thu r = 0,055 m, SNR = 22 dB 49 Hình 2.12 ASER biến đổi theo s, với các giá trị khác nhau của r, khoảng cách truyền L = 1000 m, bán kính tia tại phía phát 0 = 0,022 m, SNR = 22 dB 49 Hình 2.13 ASER biến đổi theo bán kính khẩu độ thu r, với các giá trị khác nhau của s, bán kính khẩu độ thu 0 = 0,022 m, L = 1000 m, SNR = 22 dB 50 Hình 2.14 ASER biến đổi theo SNR của hệ thống với các giá trị khác nhau của 0 ,

bán kính khẩu độ thu r = 0,055 m, L = 1000 m, s = 0,16 m 51 Hình 2.15 ASER biến đổi theo s , với các giá trị khác nhau của 0, khoảng cách truyền L = 1000 m, bán kính khẩu độ thu r = 0,055 m, SNR = 22 dB 52 Hình 2.16 ASER biến đổi theos , với các giá trị khác nhau của khoảng cách truyền L = 1000 m, bán kính khẩu độ thu 0 = 0,022 m, SNR = 22 dB 52 Hình 2.17 ASER biến đổi theo bán kính khẩu độ thu với các giá trị khác nhau của s , bán kính khẩu độ thu 0 = 0,022 m, L = 1000 m, SNR = 22 dB 53 Hình 2.18 ASER biến đổi theo SNR với khoảng cách kênh truyền L = 1000 m, bán kính khẩu độ thu r = 0,055 m, bán kính tia tại phía phát 0 = 0,022 m 53 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 59 Hình 2.20 ASE biến đổi theo SNR của kênh truyền FSO với nhiễu loạn khí quyển

từ yếu đến mạnh, khoảng cách kênh truyền L = 4000 m, và số trạm chuyển tiếp

c = 0, 1, 2 59 Hình 2.21 ASE biến đổi theo số trạm lặp của kênh truyền FSO với nhiễu loạn khí quyển từ yếu đến mạnh, khoảng cách kênh truyền L = 2000 m 60 Hình 2.22 ASE biến đổi theo số trạm lặp của kênh truyền FSO với nhiễu loạn khí quyển từ yếu đến mạnh, khoảng cách kênh truyền L = 6000 m 60 Hình 2.23 ASE biến đổi theo SNR với các giá trị khác nhau của biến lệch tia, s

trong điều kiện nhiễu loạn từ yếu đến mạnh, khoảng cách kênh truyền L = 2000 m

Hình 2.24 ASE biến đổi theo SNR với các giá trị khác nhau của biến lệch tia, s

trong điều kiện nhiễu loạn từ yếu đến mạnh, khoảng cách kênh truyền L = 4000 m

62 Hình 2.25 ASE biến đổi theo SNR với các giá trị của trạm chuyển tiếp và biến lệch tia, s trong điều kiện nhiễu loạn yếu, khoảng cách kênh truyền L = 2000 m 62 Hình 2.26 ASE biến đổi theo SNR với các giá trị của trạm chuyển tiếp và biến lệch tia, s trong điều kiện nhiễu loạn yếu, khoảng cách kênh truyền L = 4000 m 63 Hình 3.1 Mô hình hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật phân tập MIMO.66 Hình 3.2 Hàm pdf của sự biến đổi tín hiệu X với các giá trị khác nhau của trạm lặp chuyển tiếp AF 68 Hình 3.3 Hàm của sự biến đổi tín hiệu X với các bán kính vòng tròn khẩu độ thu khác nhau 69 Hình 3.4 ASER biến đổi theo SNR của hệ thống 2× 2 và 4× 4 với khoảng cách

truyền L = 2000 m sử dụng điều chế 8× 4 QAM và số trạm chuyển tiếp c = 0, 1, 2

73 Hình 3.5 ASER biến đổi theo SNR của hệ thống SISO, 2× 2 và 4× 4 , L = 6000 m

sử dụng điều chế 8× 4 QAM và số trạm chuyển tiếp c = 0, 1, 2 74 Hình 3.6 ASER biến đổi theo SNR của hệ thống SISO, 2× 2 và 4× 4 với các giá

trị của trạm chuyển tiếp c = 0,1, 2 sử dụng điều chế 8× 4 QAM 75 Hình 3.7 ASER biến đổi theo SNR của hệ thống SISO, 2× 2 và 4× 4 với các giá

trị của trạm chuyển tiếp c = 0,1, 2 sử dụng điều chế 8× 4 QAM 75 Hình 3 8 ASER biến đổi theo s với các cấu hình khác nhau của hệ thống, khoảng cách truyền L = 1000 m, bán kính khẩu độ thu r = 0,055 m, SNR = 23dB 76 Hình 3 9 ASER biến đổi theo s với các cấu hình khác nhau của hệ thống, khoảng cách truyền L = 1000 m, bán kính tia tại phía phát 0 = 0,022 m, SNR = 23dB 77 Hình 3 10 ASER biến đổi theo bán kính khẩu độ thu , với các cấu hình SISO,

2× 2 và 4× 4 , khoảng cách truyền L = 1000 m, SNR = 23dB 77 Hình 3 11 ASER biến đổi theo bán kính khẩu độ thu , với các cấu hình SISO,

2× 2 và 4× 4 , khoảng cách truyền L = 1000 m, SNR = 23dB 78 Hình 3 12 ASER biến đổi theo SNR với các cấu hình khác nhau của hệ thống, khoảng cách truyền L = 1000 m, s = 0,16 m r = 0,055 m, c = 1 79

Hình 3 13 ASER biến đổi theo khoảng cách kênh truyền L, với các cấu hình khác nhau của hệ thống, s = 0,16 m r = 0,055 m, SNR = 23dB 79

r

r

Hình 3 14 ASER biến đổi theo s, với các cấu hình các cấu hình SISO, 2× 2 và

4× 4 , khoảng cách truyền L = 1000 m, bán kính tia 0 = 0,022 m, SNR = 23dB 80 Hình 3 15 ASER biến đổi theo bán kính khẩu độ thu , với các cấu hình các cấu hình SISO, 2× 2 và 4× 4 , khoảng cách truyền L = 1000 m, SNR = 23dB 81 Hình 3 16 ASER biến đổi theo bán kính khẩu độ thu , với các cấu hình các cấu hình SISO, 2× 2 và 4× 4 , khoảng cách truyền L = 1000 m, SNR = 23dB 81 Hình 3 17 ASER biến đổi theo SNR với các cấu hình các cấu hình SISO, 2× 2 và

4× 4 MIMO của hệ thống, khoảng cách kênh truyền L = 1000 m, 0 = 0,022 m,

,

r = 0,055 m s = 0,08 m 82 Hình 3 18 ASER biến đổi theo khoảng cách kênh truyền L, với các cấu hình

SISO, 2× 2 và 4× 4 , 0 = 0,022 m, r = 0,055 m, s = 0,08 m 83 Hình 3.19 ASE biến đổi theo SNR của hệ thống phân tập MIMO,

2 -14 -2 / 3

n

c = 0, 1, 2 87 Hình 3.20 ASE biến đổi theo SNR của hệ thống phân tập MIMO,

2 -14 -2 / 3

n

c = 0, 1, 2 87 Hình 3.21 ASE biến đổi theo SNR của kênh truyền SISO, 2×2 và 4×4 với nhiễu loạn khí quyển từ yếu đến mạnh, khoảng cách kênh truyền L = 2000 m, và số trạm

r

r

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Một số loại nguồn quang sử dụng trong FSO [79] 3

Bảng 1.2 Phân bố các loại khí tiêu biểu kênh truyền khí quyển [69] 4

Bảng 1.3 Các bộ tách quang sử dụng phổ biến trong FSO [69] 6

Bảng 1.4 Trọng số W h t tương ứng với các khoảng thời gian [65] 11

Bảng 2.1 Thông số tầm nhìn theo sự phân bố kích thước hạt 33

Bảng 2.2 Các thông số đánh giá hệ thống 43

Bảng 3.1 Các thông số đánh giá hệ thống 72

CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN

A Diện tích mặt thu của bộ thu

0

A Tỷ lệ công suất thu được tại r = 0

C Dung lượng kênh trung bình

 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

 Thông số hiệu ứng tán xạ

 Thông số hiệu ứng khúc xạ

 Hiệu suất lượng tử

MỞ ĐẦU

1 Bối cảnh nghiên cứu

Truyền thông quang không dây (Wireless Optical Communications_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 [51], [72] 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 (Infrared Radiation_IR) và hệ thống truyền thông sử dụng bước sóng ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communication_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 (Free-Space Optical_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 (Line-Of-Sight_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

FSO là một công nghệ đã có từ lâu đời sử dụng sự truyền lan ánh sáng trong không gian để truyền tín hiệu giữa hai điểm, truyền thông tin quang trong môi trường tự do được đặt nền móng lần đầu tiên bởi thí nghiệm Photophone thực hiện bởi Alexander Graham Bell vào năm 1880 Trong thí nghiệm của mình, Bell đã điều chế bức xạ của mặt trời với tín hiệu âm thanh và truyền qua khoảng cách khoảng

200 m Máy thu được làm từ một chiếc gương parabol với một tế bào Selen đặt tại tiêu điểm Tuy nhiên, thí nghiệm cho kết quả không thực sự tốt do thiết bị sử dụng thô sơ và sự gián đoạn tự nhiên của bức xạ mặt trời [51]

Những năm 1960 với sự tìm ra các nguồn quang LED, Laser đã đánh dấu sự phát triển của công nghệ FSO, hàng loạt các nghiên cứu về FSO đã được thực hiện

từ những năm đầu 1960 đến những năm 1970 Các tuyến FSO đã triển khai thực hiện các liên kết tốc độ cao giữa các tòa nhà, các video an ninh theo dõi và giám sát tốc độ cao, kết nối đường trục cho các mạng di động thế hệ tiếp theo, các kết nối khắc phục thảm họa và các kết nối từ mặt đất tới vệ tinh [3], [14], [78] Các thí nghiệm kết nối giữa các vệ tinh [26] của châu Âu thực hiện truyền dữ liệu thông qua một liên kết quang giữa các vệ tinh SPOT-4 và Artemis đạt được tốc độ truyền

dữ liệu là 50 Mbps [26], kết nối tuyến FSO giữa mặt đất – vệ tinh được tiến hành giữa vệ tinh ETS-VI và trạm mặt đất quang học (OGS) ở Konegi, Nhật Bản [53]

Để có thể đáp ứng yêu cầu truyền thông băng rộng và đạt được 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 yếu tố thời tiết như sương mù, gió, mưa và tuyết Một số vấn đề khó khăn trong việc triển khai các hệ thống FSO trong thực tế bao gồm các tác động của sự tán xạ, hấp thụ, nhiễu loạn khí quyển và lỗi lệch tia thu phát Trong các yếu tố tác động này, nhiễu loạn của khí quyển và lỗi lệch tia là những yếu tố tác động lớn nhất và chúng được nghiên cứu nhiều nhất trong các hệ thống truyền thông quang không dây

Nhiễu loạn khí quyển có nguyên nhân từ sự không đồng nhất về nhiệt độ và áp suất khí quyển, mô hình đầy đủ về nhiễu loạn khí quyển được trình bày trong [3], [47] Nhiễu loạn khí quyển được đặc trưng chủ yếu bởi tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ

2

(C n) Các mô hình thực nghiệm thể hiện cường độ nhiễu loạn khí quyển qua tham

số 2

n

C được trình bày trong [51] Một số nghiên cứu điển hình về đánh giá ảnh

hưởng của nhiễu loạn khí quyển đến hiệu năng của hệ thống thông qua tham số tỷ lệ lỗi bít (Bit Error Rate_BER) như: mô hình nhiễu loạn Nakagami-m sử dụng điều chế biên độ cầu phương (Quadrature Amplitude Modulation_QAM) [4], mô hình Gamma-Gamma sử dụng điều chế cường độ tách sóng trực tiếp (Intensity Modulation/Direct Detection_IM/DD) [20], [28]; mô hình Gamma-Gamma sử dụng điều chế khóa dịch pha (Phase-shift Keying_PSK) [38] và điều chế biên độ cầu phương QAM [41] Các nghiên cứu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển đến hiệu năng của hệ thống qua tham số dung lượng kênh trung bình (Average Channel Capacity_ACC) như: sử dụng mô hình nhiễu loạn Log-Normal được trình bày trong các nghiên cứu [5], [6], đánh giá dung lượng kênh sử dụng các cấu hình phân tập khác nhau [7]; sử dụng mô hình kênh Gamma-Gamma kết hợp với kỹ thuật nhiều

đầu vào nhiều đầu ra (Multipe-Input Multipe-Output_MIMO) được phân tích trong [12]; sử dụng mô hình kênh Log-Normal và Gamma-Gamma được khảo sát trong [32] Ngoài ra các công trình nghiên cứu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển đến hiệu năng của hệ thống qua tham số tỷ lệ lỗi ký tự trung bình (Average Symbol Error Rate_ASER) sử dụng điều chế QAM và kỹ thuật MIMO được đánh giá trong [30], [31], hay sử dụng điều chế QAM được thể hiện trong [41] Các nghiên cứu đánh giá hiệu năng của hệ thống FSO dưới sự nhiễu loạn của khí quyển chủ yếu tập trung vào hệ thống FSO điểm-điểm, thường tập trung sử dụng các giải pháp kỹ thuật một cách riêng lẻ và trong một điều kiện nhiễu loạn nhất định mà chưa có sự kết hợp nhiều giải pháp kỹ thuật đồng thời, dẫn đến khả năng cải thiện hiệu năng hệ thống còn hạn chế

Lỗi lệch tia hay còn được gọi là tổn hao lệch hướng là một dạng tổn hao bắt nguồn từ sự lệch hướng tia truyền giữa máy phát và máy thu Sự lệch tia xảy ra do

sự trôi búp [47], sự rung lắc của các điểm đặt máy thu phát trên các tòa nhà [10] Điểm thu phát hệ thống FSO được đặt ở các vị trí cao của các tòa nhà, nên chịu sự tác động của gió, giãn nở nhiệt của các tòa nhà, động đất dẫn đến lỗi lệch tia đường truyền LOS của hệ thống Ảnh hưởng của lỗi lệch tia đến dung lượng kênh được trình bày trong các nghiên cứu [1], [2], [44] Trong công bố [1] và [2] nhóm tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của lỗi lệch tia lên hiệu năng hệ thống FSO điểm-điểm, tuy nhiên hệ thống này không sử dụng các trạm chuyển tiếp nên khoảng cách đường truyền còn hạn chế khi lỗi lệch tia tăng lên Trong công bố [44], S Tombras và cộng sự nghiên cứu ảnh hưởng của lệch tia lên hiệu năng hệ thống FSO chuyển tiếp, tuy nhiên phương thức điều chế sử dụng là kỹ thuật đóng-mở khóa (On-Off Keying_OOK) mà chưa xét đối với các phương thức điều chế tiên tiến đang được nghiên cứu hiện nay Đánh giá hiệu năng hệ thống sử dụng điều chế OOK dưới ảnh hưởng của lỗi lệch tia có thể được tìm thấy trong các công trình [13], [23], [36] cũng như ảnh hưởng lỗi lệch tia lên tham số BER [27], [64] và ảnh hưởng của lỗi lệch tia lên tham số ASER [49] của hệ thống FSO Ngoài ra, ảnh hưởng của lỗi lệch tia đến hiệu năng của hệ thống FSO với các mô hình kênh nhiễu loạn được đánh giá qua tham số dung lượng kênh trung bình ACC sử dụng mô hình Log-Normal được nghiên cứu trong [5], [6], [73]; tham số tỷ lệ lỗi ký tự trung bình ASER sử dụng điều chế QAM [30], [31]; sử dụng điều chế PPM [54]; mô hình Nakagami [4], [29],

mô hình I-K [21], [35], [46] Và đặc biệt trong môi trường nhiễu loạn mạnh, hiệu năng hệ thống này sử dụng mô hình Gamma-Gamma với các phương thức điều chế khác nhau được phân tích trong [11], [28], [34], [38], [60] Các nghiên cứu đánh giá

hiệu năng hệ thống FSO dưới sự ảnh hưởng của lỗi lệch tia này hầu hết đối với hệ thống FSO điểm-điểm Các kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống FSO cho thấy, chúng chịu ảnh hưởng một cách đáng kể của nhiễu loạn khí quyển và lỗi lệch tia Dưới ảnh hưởng của các yếu tố này, để đảm bảo hiệu năng truyền dẫn ở mức ngưỡng cho phép, các hệ thống FSO chỉ nên giới hạn cự ly truyền dẫn trong khoảng vài km

Nhằm giảm ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển và lệch tia, kỹ thuật phân tập MIMO sử dụng nhiều Laser tại phía phát và nhiều bộ tách sóng quang tại phía thu gần đây đã được đề xuất cho hệ thống FSO Đây là một giải pháp nhằm giảm ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển và lỗi lệch tia lên hiệu năng của hệ thống FSO Các nghiên cứu về hiệu năng của hệ thống với kênh truyền MIMO đối với hệ thống FSO khi chưa xét ảnh hưởng của lỗi lệch tia gồm có: (1) tham số BER được đánh giá trong các công trình nghiên cứu [16], [17], [18], [19], [20], [42], [52], [60] Trong các nghiên cứu này, hiệu năng của hệ thống được đánh giá dưới ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển và các phương thức điều chế khác nhau Cụ thể, trong nghiên cứu [17] sử dụng điều chế OOK, trong nghiên cứu [20] sử dụng điều chế IM/DD Hiệu năng hệ thống FSO trong các nghiên cứu này đã cải thiện đáng kể khi sử dụng

kỹ thuật MIMO, tuy nhiên để đảm bảo hiệu năng yêu cầu thì khoảng cách đường truyền vẫn còn hạn chế Trong các nghiên cứu [30], [31], các tác giả đã đánh giá ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển lên hiệu năng hệ thống thông qua tham số ASER sử dụng phương thức điều chế biên độ cầu phương sóng mang con (Subcarrier – Quadrature Amplitude Modulation_SC-QAM) và kỹ thuật MIMO, tuy nhiên không sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp (2) Tham số dung lượng kênh trung bình ACC được đánh giá trong [59], [70], sử dụng kỹ thuật MIMO không sử dụng trạm chuyển tiếp Trường hợp hệ thống sử dụng kỹ thuật MIMO có xét đến ảnh hưởng của lỗi lệch tia đã được đánh giá trong các nghiên cứu [2], [8], [12], [49], trong đó các tác giả đã phân tích được việc sử dụng kỹ thuật MIMO cũng như dưới tác động của nhiễu loạn khí và lỗi lệch tia lên hiệu năng của hệ thống đã tăng lên rất đáng kể, điều đó đồng nghĩa với khoảng cách kênh truyền của hệ thống đã được mở rộng Ngoài ra, để giảm thiểu các tác động của nhiễu loạn khí quyển, hệ thống FSO

sử dụng các trạm chuyển tiếp đã được đề xuất như là một giải pháp đầy hứa hẹn để

mở rộng khoảng cách kênh truyền Các phương pháp tiếp cận phổ biến được nghiên cứu là khuếch đại và chuyển tiếp (AF) [43], [44], [50], [55], [56], [67]; giải mã và chuyển tiếp (DF) [33], [49], [57], [61] Trong nghiên cứu [67], T A Tsiftsis và các cộng sự đã đánh giá xác suất lỗi cho hệ thống FSO đa chặng xét cho mô hình K và

mô hình Gamma-Gamma mà không tính đến suy hao đường truyền Trong nghiên cứu [57], xác suất lỗi của hệ thống chuyển tiếp được tính toán trên cơ sở xem xét cả suy hao đường truyền và ảnh hưởng của nhiễu loạn Nghiên cứu trong [50] chỉ ra rằng xác suất lỗi được giảm thiểu khi các nút liên tiếp được đặt cách đều nhau dọc theo đường truyền Kết quả của các nghiên cứu đã chứng minh rằng truyền dẫn FSO chuyển tiếp có các ưu điểm là cải thiện đáng kể hiệu năng Các khảo sát hiệu năng của hệ thống FSO chuyển tiếp với các tham số hiệu năng và điều kiện nhiễu loạn khác nhau nhưng không xét đến ảnh hưởng của lệch tia đã được nghiên cứu trong [11], [24], [25], [33], [39], [43], [55], [58], [69], các nghiên cứu này đã chứng minh tính hữu ích của truyền dẫn chuyển tiếp là một phương pháp để mở rộng cự ly truyền dẫn, nhưng không nhấn mạnh nó là một kỹ thuật chống lại các ảnh hưởng của pha-đinh Gần đây có một số nghiên cứu về hệ thống FSO chuyển tiếp và có xét đến ảnh hưởng của lệch tia thu phát [44], [77], tuy nhiên các nghiên cứu đánh giá hiệu năng hệ thống FSO có đầy đủ các tham số đường truyền sử dụng phương thức điều chế SC-QAM là chưa được thực hiện Các nghiên cứu về chuyển tiếp AF trong các hệ thống FSO xây dựng trên giả thiết rằng các nút chuyển tiếp sử dụng các bộ chuyển đổi quang-điện (O/E) và điện-quang (E/O) Ưu điểm của chuyển tiếp AF so với DF là đơn giản và tránh được yêu cầu về tốc độ cao trong thiết kế các mạch quang điện tử và điện tử

Kênh truyền FSO đóng vai trò hết sức quan trọng trong nghiên cứu về hiệu năng hệ thống FSO do hầu hết các yếu tố ảnh hưởng lên hiệu năng hệ thống là từ kênh truyền Mặc dù đã có nhiều công trình nghiên cứu về mô hình hóa kênh FSO nhưng chưa có nghiên cứu nào về hệ thống FSO chuyển tiếp phản ánh một cách đầy

đủ các ảnh hưởng của đường truyền bao gồm tổn hao, nhiễu loạn, lệch hướng Hạn chế lớn nhất của hệ thống FSO hiện nay là cự ly truyền dẫn, việc tăng cự ly truyền dẫn không chỉ làm tăng suy hao đường truyền mà còn làm tăng nhiễu loạn và lệch hướng Trong các giải pháp cải thiện hiệu năng, truyền dẫn chuyển tiếp là một giải pháp hiệu quả nhất trong việc cải thiện cự ly của hệ thống FSO Truyền dẫn chuyển tiếp cũng giúp loại bỏ yêu cầu về đường truyền tầm nhìn thẳng giữa nút nguồn và nút đích Kỹ thuật MIMO sử dụng cho hệ thống FSO chuyển tiếp giúp giảm ảnh hưởng của lệch tia lên hiệu năng hệ thống

2 Những vấn đề còn tồn tại

Các nghiên cứu trước đây thực hiện cải thiện hiệu năng của hệ thống FSO thường tập trung 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, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

 Mục tiêu nghiên cứu của luận án bao gồm:

- 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 Để đạt được mục tiêu này, luận án cần phải xây dựng được mô hình giải tích để mô hình hóa kênh truyền khí quyển và khảo sát hiệu năng của hệ thống sử dụng các kỹ thuật tiên tiến nhằm cải thiện hiệu năng cho hệ thống này

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

 Đối tượng nghiên cứu của luận án:

Hệ thống truyền thông quang không dây FSO chuyển tiếp khuếch đại AF trong miền điện sử dụng điều chế biên độ cầu phương sóng mang con (SC-QAM)

 Phạm vi nghiên cứu của luận án:

- Luận án tập trung nghiên cứu đánh giá hiệu năng của hệ thống truyền thông quang không dây FSO chuyển tiếp với kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (trong miền điện)

- Hiệu năng của hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC-QAM dưới ảnh hưởng của lỗi lệch tia được đánh giá bằng các tham số: tỷ lệ lỗi ký tự trung bình (ASER) và dung lượng kênh trung bình (ACC)

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Nghiên cứu đánh giá hiệu năng của hệ thống FSO chuyển tiếp dưới ảnh hưởng của lỗi lệch tia có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn:

 Ý nghĩa khoa học: Trong các kết quả của luận án, nghiên cứu sinh hướng tới xây dựng các mô hình giải tích để mô hình hóa kênh truyền khí quyển, các công thức của các tham số hiệu năng để đánh giá phẩm chất của hệ thống truyền dẫn FSO với các tham số hệ thống và điều kiện đường truyền khác nhau Các mô hình giải tích và tham số hiệu năng sẽ là công cụ hỗ trợ cho những nghiên cứu tiếp theo, cho việc thiết kế, đánh giá tính khả thi và độ tin cậy của hệ thống FSO

 Ý nghĩa thực tiễn: Các giả pháp mà luận án đưa ra nhằm cải thiện hiệu năng của hệ thống FSO, cụ thể là tăng khoảng cách đường truyền điểm-điểm và dung lượng của hệ thống, góp phần thúc đẩy quá trình triển khai ứng dụng công nghệ FSO trong tương lai

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết dựa trên mô hình giải tích với các công cụ toán học kết hợp với mô phỏng Phương pháp nghiên cứu lý thuyết được sử dụng cho các nghiên cứu về nguyên lý hoạt động và mối liên hệ, ảnh hưởng của các tham số hiệu năng của hệ thống như: điều chế, giải điều chế, ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển, lỗi lệch tia, bán kính chùm tia phát, khẩu độ thấu kính máy thu, khoảng cách kênh truyền.vv… và mô hình kênh của hệ thống FSO

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với công cụ phần mềm được sử dụng trong việc khảo sát, đánh giá hiệu năng các hệ thống FSO

6 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

Chương 2: “Ảnh hưởng của lỗi lệch tia lên hiệu năng hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC-QAM” Trong chương này, luận án trình bày về hiệu năng

hệ thống FSO điểm-điểm sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp Với hệ thống FSO chuyển tiếp điện AF, nghiên cứu sinh đã xây dựng mô hình giải tích khảo sát hiệu năng hệ thống này trong điều kiện nhiễu loạn và lệch tia Từ các mô hình giải tích, nghiên cứu sinh đã tính toán các biểu thức của các tham số hiệu năng ASER và ACC cho

hệ thống FSO chuyển tiếp điểm-điểm sử dụng điều chế SC-QAM Việc sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp điện AF cho hệ thống FSO đã cải thiện hiệu năng của hệ thống, đặc biệt là trong miền giá trị lớn của lỗi lệch tia

Chương 3: “Giảm ảnh hưởng của lỗi lệch tia lên hiệu năng của hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật MIMO” Trong chương này, luận án trình bày về hiệu năng hệ thống FSO đa điểm-đa điểm sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp Với hệ thống FSO chuyển tiếp điện AF và kỹ thuật MIMO, nghiên cứu sinh đã xây dựng mô hình giải tích khảo sát hiệu năng hệ thống này trong điều kiện nhiễu loạn và lệch tia Từ các mô hình giải tích, nghiên cứu sinh đã tính toán các biểu thức của các tham số hiệu năng ASER và ACC cho hệ thống FSO chuyển tiếp đa điểm-đa điểm sử dụng điều chế SC-QAM Việc sử dụng kết hợp kỹ thuật chuyển tiếp điện AF và kỹ thuật MIMO cho hệ thống FSO đã cải thiện hiệu năng của hệ thống, giảm đáng kể ảnh hưởng của lệch tia và nhiễu loạn khí quyển lên hiệu năng của hệ thống

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG FSO

1.1 Giới thiệu chương

Nội dung của chương này trình bày về mô hình, các phần tử và nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền thông quang không dây Suy hao đường truyền phụ thuộc vào thời tiết, nhiễu loạn khí quyển và lỗi lệch tia, các tham số đường truyền được

mô hình hóa bởi mô hình trạng thái kênh Ngoài ra, mô hình pha-đinh do lệch tia giữa máy phát và máy thu trong điều kiện rung lắc của các tòa nhà cũng được trình bày trong chương này Các tham số hiệu năng như tỷ lệ lỗi ký tự trung bình và dung lượng kênh trung bình cho các cấu hình khác nhau của hệ thống được trình bày ở phần cuối của 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 Log-Normal và Gamma-Gamma của hệ thống FSO, mô hình pha-đinh do lệch tia giữa máy phát và máy thu

1.2 Mô hình một hệ thống FSO

Về cơ bản, một hệ thống truyền thông quang không dây FSO gồm ba phần: máy phát, kênh truyền và máy thu, sơ đồ khối của hệ thống FSO điểm hình được thể hiện như Hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống FSO với sự sự nhiễu loạn không khí

Bộ giải điều chế

Xử lý thông tin

Nhiễu loạn Nhiễu bức

xạ nền

Máy thu Kênh truyền FSO

Máy phát

Số liệu

phát

Số liệu khôi phục được

1.2.1 Máy phát

Máy phát có chức năng chính là điều chế dữ liệu băng gốc thành tín hiệu quang, tín hiệu quang này sau đó sẽ được truyền qua không gian tới máy thu Phương thức điều chế được sử dụng phổ biến là điều chế cường độ (IM), trong đó cường độ bức xạ quang của nguồn quang được điều chế bởi số liệu cần truyền đi Ngoài phương thức điều chế trực tiếp, có thể sử dụng phương thức điều chế ngoài

Sử dụng bộ điều chế ngoài nhằm đảm bảo tốc độ dữ liệu đạt được cao hơn so với bộ điều chế trực tiếp Các thuộc tính khác của trường bức xạ quang như tần số, pha và trạng thái phân cực cũng có thể được sử dụng để điều chế cùng với dữ liệu thông qua việc sử dụng bộ điều chế ngoài Tín hiệu sau khi điều chế từ nguồn quang (LED hoặc LASER) được tập hợp bởi một thấu kính và phát qua môi trường khí quyển tới máy thu

Nguồn quang được sử dụng có thể là LED hoặc LASER tùy thuộc vào yêu cầu

cụ thể của từng hệ thống Trong khoảng bước sóng từ 700 10000 nm có rất nhiều cửa sổ truyền dẫn hầu như trong suốt với mức suy hao nhỏ ở 0,2dB/km Tuy nhiên, hầu hết các hệ thống FSO đều được thiết kế để hoạt động trong các cửa sổ truyền dẫn 780 850 nm và 1520 1600 nm. Cửa sổ truyền dẫn 780 850 nm là được sử dụng rộng rãi nhất, bởi vì thiết bị và các thành phần của hệ thống có thể được sản xuất và triển khai với chi phí thấp khi hoạt động ở những bước sóng trong cửa sổ truyền dẫn này

Tuy nhiên, dải tần 1550 nm đã và đang được sử dụng nhiều bởi nhiều lý do Thứ nhất, hệ thống sử dụng bước sóng 1550 nm tương thích với mạng ghép kênh phân chia theo bước sóng ở cửa sổ truyền dẫn thứ 3 Thứ hai, bước sóng

và yêu cầu việc giữ thẳng hướng giữa máy phát và máy thu trong điều kiện rung lắc của các tòa nhà

Một số loại nguồn quang LED và LASER sử dụng phổ biến trong hệ thống truyền thông quang không dây FSO được liệt kê trong Bảng 1.1

Bảng 1.1 Một số loại nguồn quang sử dụng trong FSO [79]

Loại nguồn quang Bước sóng

gần

Gần hồng ngoại Mạch điều khiển đơn giản Công suất và tốc độ dữ liệu thấp hơn

LASER

Thác lượng tử ~10000

Không xuyên qua thủy tinh Thành phần chế tạo không có sẵn Truyền dẫn trong sương mù tốt hơn Đắt tiền và tương đối mới

Rất nhanh và độ nhạy cao

Fabry-Perot ~1300/~1550

Độ dốc hiệu quả (0,03 – 0,2 W/A) Tốc độ cao (lên tới 40 Gb/s) Tương thích với bộ khuếch đại EDFA Mật độ công suất cao hơn 50 lần (100 nW/cm2)

Tiêu chuẩn an toàn cho mắt thấp hơn Phát xạ mặt

khoang cộng

hưởng dọc

~850

Không có hoạt động làm mát, mật độ công suất thấp, tốc độ ~10 Gb/s

Rẻ và có tính khả dụng

1.2.2 Kênh truyền dẫn khí quyển

Kênh truyền dẫn của 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

Kênh truyền khí quyển chứa các phần tử khí, các hạt bụi, khói và có các loại hình thời tiết như: mưa, sương mù, sự bốc hơi nước có ảnh hưởng khá lớn tới điều kiện nhiễu loạn của kênh truyền Mật độ của các hạt cao nhất ở gần bề mặt trái đất

và giảm dần khi tăng độ cao tới tầng điện ly Sự phân bố các loại khí tiêu biểu được liệt kê trong Bảng 1.2

Một đặc điểm quan trọng khác của kênh truyền trong khí quyển đó là hiện tượng nhiễu loạn khí không khí, sự nhiễu loạn không khí phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất không khí, độ cao tia truyền, tốc độ gió…, sự nhiễu loạn của khí quyển gây nên giữa các lớp không khí khác nhau có sự thay đổi về chiết suất, chính vì vậy mà kênh truyền nhiễu loạn không khí rất dễ thay đổi, khó dự đoán, chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của các điều kiện thời tiết gây nên sự dao động cả về pha lẫn cưỡng độ của bức xạ quang trong quá trình truyền lan trên kênh truyền Kết quả là gây nên tỷ lệ lỗi rất lớn do sự dao động của tín hiệu thu được Sự nhiễu loạn của khí quyển ảnh hưởng đến hệ thống FSO bao gồm:

- Lỗi lệch tia: Tia bức xạ quang do ảnh hưởng của nhiễu loạn không khí bị lệch khỏi đường truyền thẳng ban đầu của nó Điều này khiến máy thu gặp khó khăn khi thu bức xạ quang và có thể là hoàn toàn không thu được khi bức xạ quang

có đặc tính thay đổi theo thời gian và làm ảnh hưởng đến hiệu năng của các hệ

thống FSO tăng mạnh, đặc biệt là khi có ánh sáng mặt trời

- Sự thay đổi phân cực: Khi tia bức xạ đi qua môi trường nhiễu loạn, trạng thái phân cực của tia bức xạ sẽ bị thay đổi Tuy nhiên với tia bức xạ phân cực ngang, sự

thay đổi về trạng thái phân cực này có thể bỏ qua

1.2.3 Máy thu

Máy thu hỗ trợ việc khôi phục các dữ liệu đã được phát đi từ phía phát sau khi

đã chịu ảnh hưởng của môi trường Tại phía thu, tín hiệu quang được tập trung lại

và được tách, cùng với sự xuất hiện của nhiễu, bức xạ nền và méo tín hiệu Các tham số quan trọng của trường quang tại máy thu là kích thước thấu kính thu và công suất tín hiệu quang thu được, các tham số này xác định lượng ánh sáng tập trung vào bộ tách quang Với hệ thống thông tin quang, với một mức công suất phát, nếu sử dụng bộ thu có kích thước lớn thì SNR của bộ thu sẽ tăng Tuy nhiên, điều này đồng nghĩa với điện dung của bộ thu cũng tăng, làm giới hạn băng thông của máy thu

Máy thu trong hệ thống FSO bao gồm các thành phần

- Thấu kính thu: Là phần tử thu tín hiệu quang, có chức năng thu thập và tập trung bức xạ quang đến máy thu vào bộ tách sóng quang Khẩu độ thấu kính thu lớn thì sẽ có khả năng thu thập và tập trung nhiều bức xạ vào bộ tách sóng quang

- Bộ lọc thông dải quang: Có nhiệm vụ lọc và làm giảm bớt bức xạ nền

- Bộ tách sóng quang: Có nhiệm vụ chuyển bức xạ quang đến thành tín hiệu điện, các bộ tách sóng quang thường được sử dụng trong các hệ thống truyền thông quang hiện nay là PIN hoặc APD và được liệt kê trong Bảng 1.3

Bảng 1.3 Các bộ tách quang sử dụng phổ biến trong FSO [69]

Kim loại/cấu trúc Vùng bước song

Tách sóng trực tiếp: Sử dụng công suất hoặc cường độ của bức xạ quang đến máy thu để tách tín hiệu Chính vì thế mà tín hiệu đầu ra của bộ tách sóng quang

tỷ lệ với công suất của bức xạ quang Việc triển khai máy thu loại này rất đơn giản và thích hợp nhất cho những hệ thống điều chế cường độ quang

Tách sóng tổng hợp (tách sóng coherent): Loại máy thu này làm việc dựa trên hiện tượng trộn lẫn của các bức xạ quang, trường bức xạ quang đến bộ tách sóng quang sẽ được trộn lẫn với một trường bức xạ quang khác được tạo ra ngay tại bề mặt của bộ tách sóng quang Máy thu chuyển đổi tổng hợp có thể chia ra thành hai loại là máy thu đồng tần và máy thu khác tần Với máy thu đồng tần, bức xạ quang được tạo ra trên bề mặt của bộ tách sóng quang có tần số và bước sóng giống với tần số và bước sóng của bức xạ tới Máy thu khác tần thì ngược lại, bức xạ quang tạo ra trên bề mặt của bộ tách sóng quang khác với bức xạ quang tới Khác với máy thu vô tuyến tổng hợp, ở máy thu quang tổng hợp, bức xạ quang tạo ra do bộ dao động trên bề mặt của bộ tách sóng quang không cần phải có cùng pha với bức xạ tới Ưu điểm của máy thu quang tổng hợp đó là: tương đối dễ để khuếch đại tín hiệu tại tần số trung tần là tỷ số tín hiệu trên tạp âm được cải thiện đáng kể bằng cách tăng công suất của bộ dao động nội

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng lên hiệu năng hệ thống FSO

Giới hạn cơ bản của FSO do môi trường truyền dẫn gây ra, với FSO truyền trong môi trường khí quyển thì sự hoạt động của hệ thống FSO phụ thuộc rất nhiều vào thời tiết và điều kiện khí quyển Sự không cố định về tính chất của kênh truyền FSO là trở ngại lớn nhất trong việc triển khai một hệ thống FSO, tuy nhiên điều này không xảy ra chỉ với FSO, các đường truyền vô tuyến hay thông tin vệ tinh cũng bị ảnh hưởng bởi thời tiết và có thể bị mất liên kết trong điều kiện mưa lớn, tuyết, sương mù và sự nhiễu loạn của không khí Những thách thức chính trong việc thiết

kế các hệ thống FSO như sau:

- Sương mù: Sương mù là hơi nước được tập hợp từ những giọt nước nhỏ có đường kính vài trăm micro mét nhưng có thể làm thay đổi đặc tính truyền lan của ánh sáng hoặc ngăn cản hoàn toàn sự truyền lan của ánh sáng thông qua sự kết hợp của các hiện tượng hấp thụ, tán xạ và phản xạ, điều này có thể dẫn đến sự suy giảm mật độ công suất của búp sóng phát dẫn đến giảm cự ly hoạt động của tuyến FSO,

đây là một thách thức chính đối với hệ thống FSO

- Sự nhấp nháy: Sự nhấp nháy là sự biến đổi về không gian của cường độ sáng

gây ra bởi sự nhiễu loạn không khí, gió và sự thay đổi nhiệt độ tạo ra những túi khí

có mật độ thay đổi nhanh dẫn tới sự thay đổi nhanh chỉ số chiết suất, đó chính là nguyên nhân gây ra sự nhiễu loạn Các túi khí này đóng vai trò như những thấu kính

có đặc tính thay đổi theo thời gian và làm tỷ lệ lỗi bit của các hệ thống FSO tăng

mạnh, đặc biệt là khi có ánh sáng mặt trời

- Sự trôi búp: Sự trôi búp xảy ra khi luồng gió nhiễu loạn (gió xoáy) lớn hơn đường kính của búp sóng quang gây ra sự dịch chuyển chậm nhưng đáng kể của búp sóng quang Sự trôi búp cũng có thể là kết quả của các hoạt động địa chấn gây

ra sự dịch chuyển tương đối giữa vị trí của laser phát và bộ thu quang

- Sự lệch tia: Giữ thẳng hướng giữa khối phát và khối thu là rất quan trọng nhằm đảm bảo sự thành công của việc truyền tín hiệu, đây thực sự là vấn đề phức tạp khi sử dụng búp sóng hẹp phân tán góc và tầm nhìn Sự dãn nhiệt của các phần khung tòa nhà hoặc những trận động đất yếu có thể gây ra sự lệch hướng, trong khi

sự dãn nhiệt có đặc tính chu kỳ theo ngày hoặc mùa thì động đất lại không thể dự đoán được Một nguyên nhân gây ra sự lệch hướng nữa là gió, đặc biệt khi các thiết

bị thu phát được đặt trên các tòa nhà cao, sự dao động của tòa nhà là một quá trình ngẫu nhiên làm ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống và gây ra lỗi lệch tia

- Nhiễu trong hệ thống FSO: Khả năng tách sóng một tín hiệu tới của một bộ tách sóng quang bị hạn chế bởi sự thăng giáng của tín hiệu và nhiễu Hai loại nguồn nhiễu quan trọng nhất trong bộ thu quang là nhiễu lượng tử do tính chất ngẫu nhiên của quá trình chuyển đổi photon thành điện tử và nhiễu nhiệt, một loại nhiễu khác liên quan tới sự tách sóng của quá trình bức xạ quang là nhiễu dòng tối và nhiễu nền, có thể gây ra những tác động có hại trong các hệ thống FSO

1.4 Mô hình kênh truyền

Mô hình kênh truyền hệ thống thông tin FSO là môi trường biến động và phức tạp Ảnh hưởng của môi trường lên bức xạ quang sẽ gây ra tổn hao công suất, thăng giáng về biên độ và pha do nhiễu loạn khí quyển Ngoài ra, ảnh hưởng của lệch tia làm cho công suất thu của tín hiệu quang thay đổi Kênh truyền khí quyển mang bản chất ngẫu nhiên, do đó các ảnh hưởng của nó có thể đặc tính hóa bởi các mô hình thống kê Trong các nghiên cứu về hệ thống FSO, một số mô hình thống kê đã được

đề xuất để mô hình hóa đặc tính của kênh truyền khí quyển Các kiểu mô hình này phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, mức độ nhiễu loạn của kênh truyền hệ thống

1.4.1 Giới thiệu về nhiễu loạn không khí

Nhiễu loạn không khí là vấn đề gây ảnh hưởng lớn nhất đến hoạt động của một tuyến thông tin quang trong không gian tự do Khi bức xạ từ mặt trời đến trái đất, một phần sẽ bị hấp thụ bởi bề mặt trái đất, lớp không khí gần mặt đất hơn có mật độ lớn hơn nên sẽ hấp thụ nhiều nhiệt tỏa ra từ trái đất và bức xạ mặt trời hơn nên sẽ có nhiệt độ cao hơn lớp không khí ở trên Không khí có nhiệt độ cao hơn sẽ nhẹ hơn và bay lên gặp lớp không khí có nhiệt độ thấp hơn và hòa trộn một cách nhiễu loạn với nhau, gây nên sự dao động về nhiệt độ của các lớp không khí khác nhau Chính sự thay đổi về nhiệt độ này là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi về chiết suất của các lớp không khí trong khí quyển [75], vì vậy kênh truyền nhiễu loạn không khí rất dễ thay đổi, khó dự đoán, chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của các điều kiện thời tiết gây nên sự dao động cả về pha lẫn cường độ của bức xạ quang trong quá trình truyền lan trên kênh truyền Kết quả là sự nhiễu loạn không khí có thể gây nên

tỷ lệ lỗi rất lớn do sự dao động của tín hiệu thu được

Nhiễu loạn khí quyển được phân loại theo các mô hình phân bố phụ thuộc vào giá trị của tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ và được phân loại theo các mức độ yếu, trung bình và mạnh Các mô hình được mô tả bởi hàm mật độ xác suất của sự biến động trường bức xạ, trong chương này, luận án sẽ trình bày hai mô hình được sử dụng phổ biến nhất, đó là mô hình Log-Normal và Gamma-Gamma

1.4.2 Tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ

Nhiễu loạn không khí gây nên sự dao động ngẫu nhiên của chiết suất trên quãng đường truyền của bức xạ quang, sự thay đổi ngẫu nhiên này phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, độ cao, tốc độ gió, bức xạ mặt trời… Tham số quan trọng thể hiện cường độ dao động của chiết suất đó là tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ 2

10 (m ) cho trường hợp nhiễu loạn mạnh tới 17 2/3

10 (m ) cho trường hợp nhiễu loạn yếu, sự thay đổi của các thành phần không khí là ngẫu nhiên,

vì vậy giá trị của 2

n

C được xác định qua các mô hình thực nghiệm [51]

Các mô hình thực nghiệm được thường sử dụng để xác định tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ như SLC-Day (Submarine Laser Communication Day Model), HV-Day (Hufnagel-Valley Day Model), HV-Night (Hufnagel-Valley Night Model), Greenwood, các mô hình này được giới thiệu ở [51], sự thay đổi của tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ theo độ cao được thể hiện như Hình 1.2, mô hình SLC-Day phù hợp với truyền thông sử dụng tia Laser, mô hình HV-Day phù hợp với điều kiện khí hậu đồng bằng vào ban ngày, mô hình HV-Night phù hợp với điều kiện khí hậu đồng bằng vào ban đêm, mô hình Greenwood phù hợp cho các đài thiên văn khám phá vũ trụ đặt trên các đỉnh núi Nhìn chung giá trị tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ

5 2

trong đó, W t h là trọng số của từng khoảng thời gian, T là nhiệt độ Kelvins, RH(%)

là độ ẩm tương đối, và W ( / )S m s là tốc độ gió vuông góc với phương truyền của bức xạ quang

Bảng 1.4 Trọng số W t h tương ứng với các khoảng thời gian [65]

Khoảng thời gian (giờ) W

(kW/m ),

Hình 1.3 Tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ theo các giờ trong ngày được xác định từ

dữ liệu của trạm khí tượng thu thập được vào tháng 06 tại thành phố Hà Nội, Việt

1.4.3 Mô Hình nhiễu loạn Log-Normal

Trong mô tả hàm mật độ xác suất của sự thay đổi của bức xạ quang trong môi trường nhiễu loạn không khí, tia bức xạ được biểu thị bởi thành phần điện trường cấu thành lên nó, bằng cách sử dụng các công thức điện từ trường của Maxwell cho tia bức xạ trong trường hợp môi trường là khí quyển, ta có công thức thành phần điện trường (1.9) [62]

được định nghĩa là logarit tự nhiên của trường lan truyền E r( )và gọi nó là biến đổi Rytov Phương pháp Rytov cũng dựa trên giả thiết cơ bản là nhiễu loạn khí quyển yếu và nó được đặc trưng bởi quá trình tán xạ đơn, dùng biến đổi Rytov và cân bằng chỉ số khúc xạ trung bình của kênh, n0 1, phương trình (1.10) chuyển thành phương trình Riccati như sau:

1

( k (1 n ) 0

       (1.11) Thực hiện chia tách ( )r ra làm hai thành phần là thành phần trong không gian tự do không có mặt của nhiễu loạn của khí quyển 0( )r và thành phần trong môi trường nhiễu loạn của khí quyển 1( )r Ta có ( )r  0( )r  1( )r , kết hợp

2 2

( )1

22

E p

0

L n