Đồ án ( kèm mô phỏng + silde) KT radio over fiber và UD cho mạng truy cập không dây

Hiện nay, mạng truy nhập đang ngày càng phát triển không ngừng vớinhiều loại hình khác nhau như mạng truy nhập cáp đồng, mạng truy nhập sợiquang, mạng truy nhập vô tuyến,…Mỗi loại hình c

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH VẼ 4

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 6

LỜI NÓI ĐẦU 9

CHƯƠNG 1 NỀN TẢNG CÔNG NGHỆ CỦA KỸ THUẬT RADIO OVER FIBER 11

1.1 Các thành phần cơ bản trong hệ thống truyền dẫn sợi quang 11

1.1.1 Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang 11

1.1.2 Cấu tạo của sợi quang 11

1.1.3 Bộ phát quang 12

1.1.4 Bộ khuếch đại 13

1.1.5 Bộ thu quang 14

1.1.6 Ưu nhược điểm của sợi quang 15

1.2 Sự kết hợp giữu sợi quang và vô tuyến 15

1.2.1 Mạng truy nhập vô tuyến hiện tại 15

1.2.2 Sự kết hợp giữa sợi quang và vô tuyến 16

1.2.3 Các thành phần cơ bản của tuyến quang sử dụng RoF 17

1.2.4 Các đặc điểm quan trọng của mạng RoF 18

1.3 Kết luận chương 19

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT RADIO OVER FIBER 20

2.1 Giới thiệu Kythuật RoF 20

2.1.1 Khái niệm 20

2.1.2 Giới thiệu về truyền dẫn RoF 20

2.2 Các phương pháp điều chế lên tần số quang 20

2.2.1 Điều chế trộn nhiều sóng quang (optical heterodyne) 21

2.2.2 Bộ điều chế ngoài 24

2.2.3 Kỹ thuật dịch tần 27

2.3 Kết hợp WDM trong kỹ thuật RoF 29

2.3.1 Khái niệm WDM 29

2.3.2 Đặc điểm của hệ thống WDM 29

2.3.3 Kết hợp WDM trong kỹ thuật RoF 30

2.4 Kết luận chương 32

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT RADIO OVER FIBER VÀO MẠNG TRUY NHẬP KHÔNG DÂY 33

3.1 RoF trong mạng WLAN ở băng tần 60Ghz 33

3.1.1 Khái niệm WLAN (Wireless Local Area Network) 33

3.1.2 Đặc điểm của mạng WLAN 33

3.1.3 Kiến trúc mạng RoF cho WLAN 34

3.1.4 Giao thức bàn cờ 36

3.1.5 Các thông số của giao thức 39

3.2 Kỹ thuật RoF trong mạng truyền thông Road Vehicle 41

3.2.1 Giới thiệu kỹ chung 41

3.2.2 Kiến trúc mạng 42

3.2.3 Hoạt động của hệ thống 43

3.2.4 Quản lý truy nhập 45

3.3 Ứng dụng RoF cho mạng truy nhập vô tuyến ở, nông thôn 49

3.3.1 Giới thiệu 49

3.3.2 Kiến trúc mạng 50

3.3.3 Hoạt động của mạng 51

3.3.4 Giao thức truy nhập mạng 52

3.4 Kết luận chương 55

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT TUYẾN ROF CỤ THỂ 56

4.1 Mở đầu 56

4.2 Một tuyến RoF cụ thể 56

4.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 57

4.4 Phân tích hoạt động tuyến downlink 58 4.4.1 Bộ điều chế “dual Mach-Zehnder” – Kỹ thuật điều chế OSSBC 58

4.4.2 Tác động của sợi quang 62

4.4.3 Tách sóng tại BS – các sản phẩm RF 63

4.5 Hoạt động tuyến uplink 64

4.6 Mô phỏng tuyến downlink 65

4.6.1 Giới thiệu tổng quan về MATLAB 65

4.6.2 Mô hình hóa và các thông số 66

4.6.3 Các kết quả mô phỏng và phân tích 68

4.6.4 Phân tích BER của tuyến 72

4.7 Kết luận chương 73

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang 11

Hình 1.2 Cấu tạo sợi quang 11

Hình 1.3 Cấu trúc sợi quang 12

Hình 1.4 Các thành phần trong một microcell trong kiến trúc RoF 18

Hình 2.1 Kỹ thuật Heterodyne trong mạng RoF 24

Hình 2.2 Sơ đồ khối bộ điều chế ngoài 25

Hình 2.3 a Có điện áp điều khiển, b Không có điện áp 26

Hình 2.4 Sơ đồ khối bộ nâng tần 27

Hình 2.5 Sự kết hợp truyền dẫn WDM và RoF 30

Hình 2.6 a Điều chế hai dải biên, b Điều chế triệt một dải biên 31

Hình 2.7 Kiến trúc vòng ring RoF dựa trên DWDM 32

Hình 3.1 Kiến trúc mạng RoF cho WLAN 35

Hình 3.2 Giao thức chuyển giao bàn cờ 36

Hình 3.3 Độ trễ chuyển giao trong giao thức chuyển giao bàn cờ 38

Hình 3.4 Mô hình mạng RVC dựa trên kỹ thuật RoF 43

Hình 3.5 Ấn định khung khi di chuyển 44

Hình 3.6 Cấu trúc khung (không có các đoạn bảo vệ) 46

Hình 3.7 Một ví dụ chuyển giao trong mạng RVC 48

Hình 3.8 Kiến trúc mạng RoF bao gồm K bộ thu phát (TRX) và N trạm BS 51

Hình 3.9 Cấu trúc khung (các đoạn bảo vệ được lượt giản) 53

Hình 3.10 5 frame được chèn vào 2 super-frame với frame thứ 3 bị chia thành 2 phần 55

Hình 4.1 Tuyến RoF khảo sát sử dụng 2 bộ điều chế dual-Mach-Zehnder 57

Hình 4.2 Bộ điều chế ngoài “Dual Mach-Zehnder” 59

Hình 4.3 Một số hàm Bessel loại 1 60

Hình 4.4 Phổ biên độ của a nhánh trên bộ điều chế, b nhánh dưới bộ điều chế, c ngõ ra bộ điều chế 62

Hình 4.5 Sơ đồ mô phỏng tuyến downlink 68

Hình 4.6 Sản phẩm tại BS của bộ điều chế nhánh trên 69

Hình 4.7 Sản phẩm tại BS của bộ điều chế nhánh dưới 69

Hình 4.8 Sản phẩm ngõ ra của tuyến downlink 69

Hình 4.9 BS với bộ lọc thông dải để lấy tín hiệu dữ liệu ở tần số RF 70

Hình 4.10 Phổ tín hiệu tại BS 70

Hình4.11 Hình dáng tín hiệu với bit 1 71

Hình 4.12 Bộ điều chế có dữ liệu 71

Hình 4.13 Hình dáng tín hiệu dữ liệu với các bit 1-0 lần lượt (isignal) 71

Hình 4.14 Phổ của tín hiệu dữ liệu 72

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AMC Adaptation Modulation and Coding Bộ điều chế và mã hoáAMPS Advanced Mobile Phone Service Dịch vụ di động tiên tiến

BPSK Binary Phase Shift Keying Khoá dịch pha nhị phân

BWAN Broadband Wireless Access Network Mạng truy nhập vô tuyếnbăng rộng

CDMA Code division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo

mã

CSPDN Circuit Switched Data Network Mạng chuyển mạch dữ liệuDFB Distributed Feed Back(laser) Laser hồi tiếp phân tán

DWDM Dense Wavelength DivisionMultiplexing Ghép kênh theo bước sóngmật độ cao

EAM Electro Absorption Modulator

Bộ điều chế hấp thụelectron

EAT Electro absorption Transceiver

Bộ thu phát hấp thụelectronEDFA Erbium Droped Fiber Amplifier Bộ khuyếch đại sợi quang

EOM External Optical Modulator Bộ điều chế nguồn quangngoàiFDD Frequency Division Duplexing Bộ ghép kênh chia tần sốFDM Frequency Division Multiplexing Bộ đa công chia tần số

GSM Global System for MobileCommunication Hê thống thông tin di độngtoàn cầu

HSCSD High-Speed Circuit-Switched Data

Chuyển mạch dữ liệu tốc

độ cao

IEEE (Institute of Electrical and ElectronicsEngineers) Viện kĩ sư điện và điện tử

IF Intermediate Frequency tần số trung tần

ITS Intelligent Transportation System

Hệ thống giao thông thông

minh

MAC Medium Access Control

Sự điều khiển truy nhậpmôi trường

MSC Mobile Switching Center

Trung tâm chuyển mạch di

độngMZM Mach-Zehnder Modulator Bộ điều chế Mach-Zehnder

NLOS Non line of sight Tia không theo đườngthẳngOADM Optical add/drop multiplexer Bộ xen rẽ sóng quang

OFDM Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing Ghép kênh theo tần số trựcgiaoOFDM

SSBC Optical Single-Side-Band Modulation

Điều chế quang đơn biên

STN Public Switching Telephone Network Mạng chuyển mạch điệnthoại công cộng

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuônggóc

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

Điêu chế khoá pha vuông

góc

RoF Radio over Fiber Kĩ thuật truyền sóng vôtuyến trên sợi quang

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, mạng truy nhập đang ngày càng phát triển không ngừng vớinhiều loại hình khác nhau như mạng truy nhập cáp đồng, mạng truy nhập sợiquang, mạng truy nhập vô tuyến,…Mỗi loại hình của mạng đều có những đặcđiểm khác nhau, tuy nhiên mạng truy nhập vô tuyến đang được để ý nhiều nhất

và phát triển một cách nhanh chóng mà chúng ta có thể thấy được chung quanhnhư mạng thông tin di động 2G, 3G, mạng LAN không dây cho các kết nối trongnhà với tên gọi WiFi, đó là nhờ những ưu điểm vượt trội của kỹ thuật không dâymang lại, đạt tính di động cao mà các kỹ thuật truy nhập hữu tuyến không thể cóđược Mặt khác, với sự phát triển của mạng truy nhập băng thông rộng thì mạngtruy nhập vô tuyến bắt đầu gặp phải những nhược điểm của mình, tốc độ thấp vớivùng phủ sóng hẹp Vì vậy, ngày càng có nhiều công nghệ và kỹ thuật đượcnghiên cứu và phát triển để khắc phục nhược điểm này, mang lại cho người dùngmột mạng truy nhập vô tuyến băng thông rộng

Bên cạnh đó, sợi quang ngày nay cũng đang được sử dụng trở nên phổ biếnhơn bởi ưu điểm là băng thông rộng Tuy có những nhược điểm nhất định tronglắp đặt, bảo dưỡng cũng như giá thành của sợi quang và thiết bị đi kèm còn đắthơn so với cáp đồng nhưng với với ưu điểm băng thông lớn của sợi quang thìkhông có một môi trường nào có thể so sánh được Vì vậy, sợi quang được xem

là cơ sở để triển khai các mạng băng thông rộng mà hiện này ta có thấy được nhưmạng đường trục

Để khắc phục được nhược điểm hạn chế về băng thông và tận dụng được ưuđiểm của sợi quang người ta đã đưa ra phương pháp là kết hợp với kỹ thuật truynhập bằng sợi quang, với ưu điểm là băng thông lớn và cự ly xa với mạng truynhập vô tuyến không dây Một trong những sự kết hợp đó là kỹ thuật Radio overFiber, một kỹ thuật mà hiện nay được coi là nền tảng cho mạng truy nhập khôngdây băng thông rộng trong tương lai Vì vậy, trong đồ án này, em sẽ tìm hiểu về

kỹ thuật Radio over Fiber cũng như những ứng dụng của nó trong mạng truynhập vô tuyến Nội dung của đồ án bao gồm 4 phần:

- Tìm hiểu về nền tảng của kỹ thuật Radio over Fiber

- Tìm hiểu về kỹ thuật Radio over Fiber

- Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber và mạng truy nhập không dây

- Phân tích và mô phỏng hoạt động của 1 tuyến RoF cụ thể

Chương 1 sẽ giớ thiệu sơ lược về ưu nhược điểm của phương pháp truynhập sợi quang có thể áp dụng cho kỹ thuật, các đặc điểm quan trọng của mạngRoF Sự kết hợp hài hòa giữa sợi quang và vô tuyến

Chương 2 sẽ cho chúng ta biết kỹ thuật RoF đó là gì và vì sao có kỹ thuậtnày, chương này sẽ tìm hiểu các kỹ thuật để truyền dẫn sóng radio qua môitrường là sợi quang Mỗi kỹ thuật sẽ có những ưu nhược điểm riêng của nó, tùyvào những ưu nhược điểm riêng mà nó cũng sẽ có những ứng dụng trong từngmôi trường cụ thế, sự so sánh các ưu nhược điểm của mỗi kỹ thuật sẽ được đưa

ra, đây cũng là chủ trọng tâm của chương

Các ứng dụng của kỹ thuật Radio over Fiber trong mạng truy nhập vô tuyến

sẽ được trình bày trong chương 3, các ứng dụng đó sẽ được trình bày cụ thể trong

3 mạng cụ thể là mạng wireless LAN dùng ở băng tần mm, mạng truyền thôngRVC cơ sở hạ tầng của mạng ITS, và mạng truy nhập vô tuyến ở vùng ngoại ô vànông thôn Qua đó kiến trúc của mạng Radio over Fiber sẽ được mô tả trong mỗiphần cũng như những khó khăn và vấn đề cần khắc phục

Ở chương cuối sẽ trình bày hoạt động của một tuyến Radio over Fiber cụthể, trong phần này sẽ thấy được sự kết hợp của các kỹ thuật mô tả ở chương 2 đểtạo nên một tuyến truyền dẫn Radio over Fiber cụ thể, hoạt động của các thànhphần trong tuyến sẽ được mô tả một cách cụ thể Các kết quả mô phỏng cũngđược trình bày cụ thể trong chương này để so sánh với phần lý thuyết đã mô tả.Phần cuối cùng dành để tổng kết những vấn đề đã làm được trong đồ áncũng như hạn chế và hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 1 NỀN TẢNG CÔNG NGHỆ CỦA KỸ THUẬT RADIO

OVER FIBER

1.1 Các thành phần cơ bản trong hệ thống truyền dẫn sợi quang

1.1.1 Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo gồm 1lõi (core) bằng thuỷ tinh có chiết suất n1 và 1 lớp bọc (cladding) bằng thuỷ tinh

có chiết suất n2 với n1> n2 Ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạnhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏ bọc Do đóánh sáng có thể truyền trong sợi cự ly dài ngay cả khi sợi bị uốn cong trong giớihạn cho phép (hình 2.1)

Hình 1.1 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

1.1.2 Cấu tạo của sợi quang

Thành phần chính của sợi quang gồm lõi và lớp bọc, lõi để dẫn ánh sángcòn vỏ bọc để giữ ánh sáng tập trung trong lõi nhờ sự phản xạ toàn phần giữa lõi

và lớp bọc

Hình 1.2 Cấu tạo sợi quang

Để bảo vệ sợi quang tránh nhiều tác dụng do điều kiện bên ngoài sợiquang còn được bọc thêm vài lớp nữa:

- Lớp phủ hay lớp vỏ thứ nhất: Lớp phủ có tác dụng bảo vệ sợi quangchống lại sự xâm nhập của hơi nước, tránh sự trầy sướt gây nên những vết nứt

Giảm ảnh hưởng vì uốn cong Lớp phủ được bọc ngay trong quá trình kéo sợi,chiết suất của lớp phủ lớn hơn chiết suất của lớp bọc để loại bỏ các tia sángtruyền trong lớp bọc vì khi đó sự phản xạ toàn phần không thể xảy ra tại phân cácgiữa lớp phủ và lớp bọc.

- Lớp vỏ: Lớp vỏ có tác dụng tăng cường sức chịu đựng của sợi quangtrước các tác dụng cơ học và sự thay đổi nhiệt độ

Hình 1.3 Cấu trúc sợi quang

1.1.3 Bộ phát quang

Vai trò của các bộ phát quang là biển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang

và đưa tín hiệu quang này vào sợi quang để truyền tới phía thu Linh kiệnchính trong bộ phát quang là nguồn phát quang, các nguồn quang được sử dụng

là diode phát quang (LED) và laser bán dẫn (LD), ở LED lớp chuyển tiếp p-nphân cực thuận phát ra ánh sáng thông qua sự phát xạ tự phát, hiện tượng nàyđược gọi là hiện tượng quang điện, ánh sáng được tạo ra khi các cặp điện tử lỗtrống tái hợp lại với nhau ở vùng nghèo Laser bán dẫn phát ra ánh sáng chủ yểubởi phát xạ kích thích, phát xạ kích thích có công suất phát cao hơn phát xạ tựphát Độ mở góc của chùm sáng laser đầu ra hẹp hơn so với LED đem đến khảnăng ghép nối cao hơn với sợi quang đơn mode Phố ánh sáng phát ra hẹp chophép laser hoạt động tại tốc độ cao Ngoài ra, laser bán dẫn có thể điều chế trựctiếp tại tần số cao do hiện tượng phát xạ kích thích có thời gian tái hợp các cặpđiện tử - lỗ trống ngắn Trong hầu hết các hệ thống truyền dẫn quang, nguồn

quang thường được sử dụng là laser bán dẫn do hiệu suất của chúng caohơn so với LED.

Có 2 phương pháp chính để điều biến ánh sáng trong hệ thống quang:điều chế trực tiếp và điều chế ngoài Phương pháp điều biến trực tiếp, các tín hiệuđiện đưa vào bộ phát quang thực hiện điều biến trực tiếp thành tín hiệu quangnhờ Laser Diode hoặc LED Một vấn đề cần quan tâm trong điều chế trực tiếp đó

là méo dạng phi tuyến của quá trình điều chế do đặc tính điều chế, các méo dạngphi tuyến bậc hai và bậc ba có thể gây ra sự suy giảm chất lượng của hệ thốngRoF

Trong kỹ thuật điều chế ngoài, một thiết bị riêng biệt được sử dụng đểđiều chế ánh sáng Điều chế ngoài trở thành phương pháp vượt trội cho các hệthống thông tin quang đường dài tốc độ cao Các bộ điều chế ngoài có thể làmbằng nhiều loại vật liệu và kiến trúc mặc dù các vật liệu điện - quang thôngthường hằng số điện môi ảnh hưởng đến hình dạng điện trường

1.1.4 Bộ khuếch đại

Khuếch đại quang chia làm hai loại là khuếch đại toàn quang và bộ lặpquang điện Khi tín hiệu quang rất yếu không thể truyền đi xa được nữa thì sẽđược các bộ lặp thu lại và biến đổi thành tín hiệu điện, sau đó tiến hành khuếchđại, chuẩn lại thời gian, tái tạo lại dạng tín hiệu điện rồi lại biến đổi về tín hiệuquang để truyền lên đường truyền Quá trình khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang

mà không cần phải thông qua quá trình biến đổi về tín hiệu điện được gọi làkhuếch đại toàn quang, tùy thuộc vào vị trí lắp đặt mà có bộ khuếch đại sau:Khuếch đại công suất, khuếch đại thu, khuếch đại đường truyền Khuếch đạiquang dung nguyên 1ý phát xạ kích thích, giống phương pháp sử dụng tronglaser, có hai dạng khuếch đại quang cơ bản là khuếch đại laser bán dẫn và khuếchđại quang sợi trong đó khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Erbium được sửdụng phổ biến

1.1.5 Bộ thu quang

Vai trò của các bộ thu quang là biến đổi tín hiệu quang trở về dạng tínhiệu điện Thành phần chính trong bộ thu quang là bộ tách sóng quang, nóchuyển tín hiệu quang sang tín hiệu điện dựa trên hiệu ứng quang điện Yêu cầuđối với bộ tách sóng quang cũng tương tự như với nguồn quang là: độ nhạy cao,thời gian đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá thành thấp và độ tin cậy cao có hai kiểutách sóng cơ bản đó là tách sóng trực tiếp và tách sóng kết hợp (coherent)

a Tách sóng trực tiếp

Trong các bộ thu quang tách sóng trực tiếp, bộ tách sóng quang chuyển đổiluồng photon đến thành dòng điện, dòng điện này Sau đó được khuếch đại và choqua một thiết bị ngưỡng Một bit sẽ là mức logic 0 hoặc 1 phụ thuộc vào dòngnày trên hoặc dưới giá trịn ngưỡng cho trước trong thời gian một bit Nói cáchkhác, quyết định dựa trên có ánh sáng hay không trong thời gian một bit Thiết bịtách sóng cơ bản đối với các mạng quang tách sóng trực tiếp là photodiode (PIN)

Và photo diode thác (APD) Trong dạng đơn giản nhất của nó, photodiode là lớpchuyển tiếp p-n định thiên ngược Qua hiệu ứng quang điện, ánh sáng tới vùnglớp chuyển tiếp sẽ tạo ra cặp điện tử - lỗ trống trong cả miền "n" và "p" củaphotodiode Các điện tử giải phóng ở miền "p" sẽ vượt qua tới miền "n" và các lỗtrống được tạo ở miền "n" sẽ vượt qua tới miền "p", do đó sinh ra dòng điện

b Tách sóng Heterodyne đầu xa (RHD)

Hầu hết các kỹ thuật RoF đều dựa vào nguyên lý trộn coherenttrong diode phát quang để tạo ra tín hiệu RF Các kỹ thuật này được gọichung là các kỹ thuật tách Heterodyne đầu xa (RHD) Trong khi sử dụngchuyển đối quang - điện, Diode quang cũng hoạt động như là một bộ trộn, nóđóng vai trò là một phần tử chỉnh trong các hệ thống RoF dựa trên RHD, trong

kỹ thuật optical heterodyne, hai hay nhiều tín hiệu quang được truyền đồng thời

và chúng có quan hệ với nhau tới đầu thu Khi các trường quang tín hiệu vàtrường quang của bộ dao động nội được trộn với nhau và qua photodiode chuyển

thành tín hiệu RF Trong kỹ thuật này tần số của bộ dao động nội được lựa chọn

và hiệu chỉnh sao cho tín hiệu RF tạo ra tại tần số mong muốn

1.1.6 Ưu nhược điểm của sợi quang

a Ưu điểm

- Độ rộng băng tần lớn (khoảng 15THz ở 1550nm) và suy hao thấp 0,25 dB/km ở bước sóng 1550nm)

(0,2 Sợi quang không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ

- Tính an toàn và tính bảo mật cao do không bị dò sóng điện từ như cáp kimloại, không bị bức xạ năng lượng điện từ nên không thể trích lấy trộm thông tinbằng phương pháp điện

- Sợi quang có kích thước nhỏ, không bị ăn mòn bởi môi trường axit, kiềm,nước nên có độ bền cao

- Vật liệu chế tạo sợi quang có sẵn trong tự nhiên

- Hệ thống truyền dẫn quang có khả năng nâng cấp dễ dàng lên tốc độ bitcao hơn bằng cách thay đổi bước sóng công tác và kỹ thuật ghép kênh

- Suy hao thấp cho phép khoảng cách lan truyền xa hơn

b Nhược điểm

- Các bộ phận biến đổi quang - điện đắt tiền, khó chế tạo, khả năng ghép nối

với sợi quang khó khăn

- Việc ghép các kênh truyền quang học gặp nhiều khó khăn.

- Việc ghép nối sợi quang đòi hỏi thiết bị cơ khí có độ chính xác cao Các

khớp của đầu ghép nối không tương hợp hay có vết nứt trên sợi quang là nguyên

1.2 Sự kết hợp giữu sợi quang và vô tuyến

1.2.1 Mạng truy nhập vô tuyến hiện tại

Mạng truy nhập vô tuyến hiện nay có thể được chia làm 2 loại là vô tuyến

di động (mobile) như mạng thông tin di dộng 1G, 2G, 3G, WiMax… và vô tuyến

cố định (fixed) như WiFi Trong các mạng này thì người ta chú ý nhất đến 2 yếu

tố đó là băng thông và tính di động So với mạng cố định thì mạng mobile có tính

di động cao hơn nhưng bù lại thì băng thông của nó lại thấp hơn ví dụ WiFi có

thể đạt tới tốc độ 108Mbps trong khi mạng 3G xu hướng chỉ đạt được 2Mbps cònmạng WiMax có thể có tốc độ cao hơn, tính di động cũng cao nhưng vẫn còntrong giai đoạn thử nghiệm nhờ sử dụng các kỹ thuật mới tiên tiến hơn Như vậy

ta thấy rằng xu hướng của các mạng vô tuyến ngày nay là tính di động và băngthông ngày càng tăng để đạt được mạng băng thông rộng

1.2.2 Sự kết hợp giữa sợi quang và vô tuyến

Để đạt được mạng băng thông rộng, ngày nay các công nghệ truy nhập vôtuyến đang hướng dần về kiến trúc mạng tế bào (cell), tăng tính di động cho cácthiết bị trong mạng Trong khi đó để tăng băng thông thì người ta áp dụng các kỹthuật truy nhập tiên tiến hơn như CDMA, OFDM, hai xu hướng trên có tác độngqua lại một cách chặt chẽ Đối với băng tần mm ngoài những ưu điểm của nónhư: kích thước ănten nhỏ, băng thông lớn, tuy nhiên ở ở tần số mm suy hao của

nó trong không gian rất lớn Suy hao không gian được biểu diễn bởi công thứcsau:

Để kết nối CS với các BS, người ta sử dụng sợi quang với những ưu điểmkhông thể thay thế được đó là băng thông lớn và suy hao bé, mỗi sợi quang cóthể truyền được tốc độ hàng trăm Gbps với chiều dài lên đến hàng chục km Các

kỹ thuật để truyền dẫn tín hiệu vô tuyên từ CS tới BS và ngược lại được gọi là kỹthuật RoF Còn mạng truy nhập vô tuyến dựa trên kỹ thuật RoF được gọi là mạngtruy nhập vô tuyến RoF mà ta sẽ gọi tắt là mạng RoF

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

- Mobile Host (MH): đó là các thiết bị đi động trong mạng đóng vai trò làcác thiết bị đầu cuối Các MH có thể là điện thoại đi động, máy tính xách tay cótích hợp chức năng, các PDA hay các máy chuyên dụng khác có tích hợp chứcnăng truy nhập vào mạng không dây

- Base Station (BS): có nhiệm vụ phát sóng vô tuyến nhận được từ CS đếncác MH, nhận sóng vô tuyến nhận được từ MH truyền về CS Mỗi BS sẽ phục vụmột microcell BS không có chức năng xử lý tín hiêu, nó chỉ đơn thuần biến đổi

từ thành phần điện/quang và ngược lại để chuyển về hoặc nhận từ CS BS gồm 2thần phần quan trọng nhất là antenna và thành phần chuyển đổi quang điện ở tần

số RF Tùy bán kính phục vụ của mỗi BS mà số lượng BS để phủ sóng một vùng

là nhiều hay ít Bán kính phục vụ của BS rất nhỏ (vài trăm mét hoặc thấp hơn nữachỉ vài chục mét) và phục vụ một số lượng vài chục đến vài trăm các MH Trongkiến trúc mạng RoF thì BS phải rất đơn giản (do không có thành phần xử lý)

- Central Station (CS): là trạm xử lý trung tâm Tùy vào khả năng của kỹthuật RoF mà mỗi CS có thể phục vụ các BS ở xa hàng chục km, nên mỗi CS cóthể nối đến hàng ngàn các BS Do kiến trúc mạng tập trung nên tất cả các chứcnăng như định tuyến, cấp phát kênh,… đều được thực hiện và chia sẽ ở CS vì thế

có thể nói CS là thành phần quan trọng nhất trong mạng RoF (cũng giống nhưtổng đài trong mạng điện thoại), CS được nối đến các tổng đài, server khác

- Một tuyến quang nối giữa BS và CS nhằm truyền dẫn tín hiệu giữa chúngvới nhau, các thành phần của mạng được biểu diễn như (hình 1.4)

Hình 1.4 Các thành phần trong một microcell trong kiến trúc RoF

1.2.4 Các đặc điểm quan trọng của mạng RoF

- Các chức năng điều khiển như ấn định kênh, điều chế, giải điều chế đượctập trung ở CS nhằm đơn 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 cấpbăng thông động (thành phần này có thể sử dụng băng thông thành phần khácnếu băng thông đó thực sự rỗi) cho phép sử dụng băng thông hiệu quả hơn Hơnnữa nhờ tính tập trung nên khả năng nâng cấp và quản lý mạng đơn giản hơn

- Cấu trúc BS đơn giản nên sự ổn định cao hơn và quản lý số BS này trởnên đơn giản, ngoại trừ số lượng lớn Đặc biệt là kỹ thuật RoF trong suốt với cácgiao diện vô tuyến (điều chế, tốc độ bit) và các giao thức vô tuyến nên mạng cókhả năng triển khai đa dịch vụ trong cùng thời điểm

- Giảm công suất tiêu thụ

- Phân bổ tài nguyên động

Vì RoF liên quan tới điều chế tương tự và tách sóng ánh sáng nên về cơ bảnđây là một hệ thống truyền dẫn tương tự Do đó tín hiệu bị ảnh hưởng bởi nhiễu

và méo, đây là hạn hế trong các hệ thống thông tin tương tự cũng như hệ thốngRoF, những ảnh hưởng này có xu hướng giới hạn dải động (DR) của các tuyếnRoF

1.3 Kết luận chương

Chương 1 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 nótrong các hệ thống: mạng tế bào, thông tin vệ tinh, mạng WLAN, mạng truyềnthông cho các phương tiện giao thông,… Trong chương tiếp theo chúng ta sẽ tìmhiểu sâu hơn về hệ thống RoF cũng như các phương pháp điều chế được áp dụngtrong hệ thống RoF

CHƯƠNG 2

KỸ THUẬT RADIO OVER FIBER

2.1 Giới thiệu Ky thuật RoF

2.1.1 Khái niệm

RoF là phương pháp truyền dẫn tín hiệu vô tuyến đã được điều chế trên sợiquang, nó sử dụng các tuyến quang có độ tuyến tính cao để truyền dẫn các tínhiệu RF (analog) đến các trạm thu phát

2.1.2 Giới thiệu về truyền dẫn RoF

Không giống với mạng truyền dẫn quang thông thường, các tín hiệu đượctruyền đi thường ở dạng số, RoF là một hệ thống truyền tín hiệu tương tự bởi vì

nó chuyển tải các tín hiệu dạng vô tuyến từ CS tới BS và ngược lại Thực tế thìcác tín hiệu truyền dẫn có thể ở dạng vô tuyến RF hay tần số trung tần IF haybăng tần gốc Trong trường hợp tín hiệu IF hay BB thì có thêm các thành phầnmới để đưa từ tần số gốc hay IF lên dạng RF ở BS Trong trường hợp lý tưởng thìngõ ra của tuyến RoF sẽ cho ta tín hiệu giống như ban đầu, nhưng trên thực tế thìdưới sự tác động của các hiện tượng phi tuyến, đáp ứng tần số có hạn của laser vàhiện tượng tán sắc trong sợi quang mà tín hiệu ngõ ra bị sai khác so với ngõ vàogây ra một số giới hạn trong truyền dẫn như tốc độ, cự ly tuyến Hiện tượng nàycàng nghiêm trọng hơn trong tuyến RoF này vì tín hiệu truyền đi có dạng analog,

do đó các yêu cầu về độ chính xác là cao hơn so với các hệ thống truyền dẫn số

2.2 Các phương pháp điều chế lên tần số quang

Để truyền tín hiều RF trên sợi quang người ta sử dụng phương pháp điềuchế cường độ, tức là sóng quang có cường đô thay đổi theo cường độ của tín hiệuRF

Có 3 phương pháp để truyền dẫn tín hiệu RF trên sợi quang bằng phươngpháp 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) Phương pháp thứ nhất, công

suất nguồn laser phát ra được điều khiển trực tiếp bởi cường độ dòng điện của tínhiệu RF Ưu điểm phương pháp này là đơn giản và rẻ tiền được ứng dụng rộngrãi trong các mạch phát laser hiện nay Tuy nhiên, do đáp ứng của laser, tần số

RF điều chế bị hạn chế ở tầm 10GHz Có một số laser có thể hoạt động ở tầm caohơn 40Ghz nhưng nó có giá thành khá mắc và không phổ biến trên thị trường.Phương pháp điều chế ngoài là phương pháp sử dụng một nguồn sáng chưađiều chế kết hợp với một bộ điều chế cường độ nguồn quang ngoài Ưu điểm củaphương pháp này là cho phép điều chế ở tần số cao hơn so với phương pháp điềuchế trực tiếp Tuy nhiên do suy hao chèn của phương pháp này lớn nên hiệu suấtcủa nó không cao

Phương pháp cuối cùng, tín hiệu RF được điều chế sang dạng quang bằng

phương pháp heterodyne, trộn các sóng ánh sáng kết hợp để đưa tín hiệu RF lên

miền quang, sau đây sẽ trình bày chi tiết các phương pháp điều chế

2.2.1 Điều chế trộn nhiều sóng quang (optical heterodyne)

Trong kỹ thuật optical heterodyne, hai hay nhiều tín hiệu quang đượctruyền đồng thời và chúng có tính quan hệ với nhau tới đầu thu Và một trong sốchúng kết hợp với nhau (được gọi là tích với nhau) sẽ tạo ra được tín hiệu vôtuyến ban đầu Ví dụ 2 tín hiệu quang được phát ở băng tần ở chung quanh bướcsóng 1550nm có khoảng cách rất nhỏ 0.5nm Tại đầu thu, sự kết hợp 2 sóngquang này bằng kỹ thuật heterodyne và tạo ra một tín hiệu điện ở tần số 60Ghzban đầu mà ta cần truyền đi Sơ đồ khối phía thu của kỹ thuật được mô tả trong(hình 2.1)

a Nguyên lý

Cường độ của một tín hiệu quang dưới dạng phức có dạng:

E s=A sexp[−i(ω s t +ϕ s)]

(2.2.1)

Trong đó ωs là tần số sóng mang, As là biên độ và φs là pha của tín hiệu.

Tương tự cường độ của tín hiệu tham chiếu có dạng

E ref=A refexp[−i(ω ref t+ ϕ ref) ]

(2.2.2)

với Aref, ωref, φref lần lượt là biên độ, tần số và pha của tín hiệu tham chiếu.Trong trường hợp này ta giả sử rằng cả tín hiệu gốc và tín hiệu tham chiếu phâncực giống nhau để chúng có thể kết hợp tại PD ở đầu thu Như ta biết rằng, công

suất thu được ở PD có dạng P=K|Es+ Eref|2 trong đó K được sgọi là hằng số

Trong đó: Ps =KA s 2 , Pref=KAref 2 , ω0 =ω s -ω ref Đôi khi người ta ký hiệu ω0 là

ω IF được gọi là tần số (góc) trung tần Lý do nó được gọi là tần số trung tần bởi

vì thông thường ω0 và ωref rất gần nhau nên hiệu của chúng là ωIF thường nhỏ hơn khá nhiều so với ω0 và ω ref, và được gọi là tần số trung tần.

- Nếu ω0 =0 thì người ta gọi đây là kỹ thuật homodyne.

Do Iref thường cố định nên người ta dễ dàng tách ra được thành phần tín

hiệu homodyne bằng một mạch so sánh quyết định ngưỡng:

Ihom( t )=2R √ PsPref

(2.56)

Từ công thức trên ta thấy ưu điểm của phương pháp tách sóng homodyne

đó là: thứ nhất dòng điện ngõ ra lớn nhất nếu ta triệt bỏ pha của sóng tới và sóng

tham chiếu, nên cho tỉ số SNR cao Thứ hai là thành phần thu được không mang

thông tin tần số và pha, chỉ phụ thuộc vào biên độ, nên nó rất phù hợp vớiphương pháp tách sóng trực tiếp thường không mang thông tin về tần số và pha.Tuy nhiên nhược điểm của nó là phải đồng bộ về pha lẫn tần số cho cả sóngtín hiệu lẫn sóng tham chiếu Điều này được thực hiện bằng một vòng khóa phaquang

- Nếu ωs ≠ 0 thì đây được gọi là kỹ thuật heterodyne:

I (t )=RP (t)=Iref+2 R √ PsPrefcos ( ω0t +Δϕ ) (1.5.7)

Khi đó thành phần heterodyne là:

Ihet( t )=2R √ PsPrefcos ( ω0t+ Δϕ ) (1.5.8)

Lúc này thành phần tín hiệu sẽ được đại diện bởi biên độ, tần số và pha của

sóng mang IF So với kỹ thuật homodyne thì kỹ thuật này có tỉ số SNR nhỏ hơn

là 3dB vì chứa thành phần cos Tuy nhiên kỹ thuật này không cần thiết phải cóvòng khóa pha phức tạp nên nó thực hiện đơn giản hơn so với homodyne

Kỹ thuật heterodyne có thể được sử dụng kết hợp với các phương pháp điềuchế ASK, PSK, FSK ở phía phát và sử dụng phương pháp tách sóng trực tiếp hay

tách sóng đường bao ở phía thu bởi vì thành phần tín hiệu Ihet sau khi tách sóng

mang đầy đủ thông tin về cường độ, tần số và pha

b Kỹ thuật Heterodyne trong mạng RoF

Signal laser Optical

mod

IF mod

Digital source

detector

Photo-CS

BS

Hình 2.1 ta thấy 2 ưu điểm của kỹ thuật này Ưu điểm thứ nhất đó là cấutrúc BS đơn giản do nguồn tham chiếu RF được tạo ra từ CS, nguồn RF thamchiếu được khóa pha với Laser phát chính (master laser) Cả nguồn tham chiềulẫn tín hiệu được truyền đi trong cùng sợi quang Chú ý rằng, nguồn tham chiếuđược truyền với tần số RF trong khi đó thì tín hiệu được điều chế ở tần số IF Ưuđiểm thứ hai đó là tín hiệu được truyền đi với tần số IF (unmodutation signal -Gọi là tín hiệu chưa điều chế vì vẫn ở tần số trung tần, nhưng thực chất nó đãđược điều chế sang dạng quang)

Hình 2.1 Kỹ thuật Heterodyne trong mạng RoF

Điều này giúp cho tín hiệu được truyền đi xa hơn mà ít bị ảnh hưởng đếnhiện tượng tán sắc hơn Đến BS, nguồn tín hiệu IF này sẽ được điều chế lên tần

số RF bởi nguồn tham chiếu RF tại Photodetector và phát đi, tín hiệu lúc này gọi

là modulation signal vì nó ở tần số RF

2.2.2 Bộ điều chế ngoài

Phương pháp điều chế trực tiếp có 2 nhược điểm chính sau đây:

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

Interface eclectronic

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

Để tránh được hai nhược điểm nói trên người ta sử dụng phương pháp điềuchế ngoài sơ đồ tổng quát điều chế ngoài được cho như (hình 2.2)

Ở bộ điều chế ngoài, người ta cần một nguồn laser rất ổn định, vì vậy mộtvòng hồi tiếp với photodiode được thêm vào, vòng hồi tiếp này sẽ làm cho cường

độ laser phát ra được ổn định, đồng thời hiện tượng chirp được giảm thiểu Tuynhiên vòng hồi tiếp này khiến cho hiệu suất làm việc của laser không cao vì mộtphần được đưa vào điều khiển hồi tiếp

Hình 2.2 Sơ đồ khối bộ điều chế ngoài

- Băng thông điều chế: do bộ điều chế ngoài quyết định, vì vậy, không bịgiới hạn bởi tần số dao động tắt dần của laser diode Ánh sáng laser trong trườnghợp này đóng vai trò như sóng mang

- Không xảy ra hiện tƣợng chirp đối với tín hiệu quang vì laser được kíchthích bởi dòng điện ổn định nên ánh sáng phát là sóng liên tục có tần số và độrộng phổ ổn định Đặc điểm này rất quan trọng đối với hệ thống ghép kênh theobước sóng WDM vì yêu cầu về độ ổn định của bước sóng ánh sáng tại các kênhrất cần thiết

- Không bị giới hạn bởi công suất phát quang vì đặc tính điều chế do bộđiều chế ngoài quyết định

Ngày nay, 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

a Bộ điều chế Mach-Zehnder (MZM)

Mach-Zehnder Modulator (MZM) hay còn gọi là Lithium Niobate (LiNbO3)Modulator được chế tạo bằng vật liệu Lithium Niobate có cấu trúc Mach-Zehnder như (hình 2.3) Chiết suất của Lithium Niobate phụ thuộc vào điện ápphân cực ánh sáng do laser phát ra khi đi vào ống dẫn sóng được chia làm haiphần bằng nhau Khi không có điện áp phân cực, cả hai nửa sóng ánh sáng tớikhông bị dịch pha Vì vậy, ở ngõ ra của bộ điều chế, sóng ánh sáng kết hợp códạng của sóng ánh sáng ban đầu Khi có điện áp phân cực, một nửa của sóng tới

bị dịch pha +90° vì chiết suất của một nhánh của ống dẫn sóng giảm, làm tăngvận tốc truyền ánh sáng và làm giảm độ trễ Một nửa kia của sóng tới ở nhánhcòn lại của ống dẫn sóng bị dịch pha -90° vì chiết suất tăng, làm vận tốc truyềnánh sáng giảm và làm tăng độ trễ Kết quả là, hai nửa sóng ánh sáng ở ngõ ra củaMZM bị lệch pha 180° và triệt tiêu lẫn nhau Qua đó cho thấy, cường độ tín hiệuánh sáng ở ngõ ra của MZM có thể được điều khiển bằng cách hiệu chỉnh điện

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

Điều chế ngoài MZM chủ yếu được sử dụng trong mạng quang truyềnhình

Hình 2.3 a Có điện áp điều khiển, b Không có điện áp

MZM có một sô hạn chế như: suy hao xen cao (lên đến 5dB) và điện ápđiều chế tương đối cao (lên đến 10V), Ngoài ra, sử dụng MZM còn có một hạnchế nữa là MZM là một linh kiện quang tách biệt Do MZM được chế tạo bởiLiNbO3 không phải chất bán dẫn nên không thể tích hợp với laser DFB trong

một chip Những hạn chế này của MZM có thể được khắc phục bởi một loại điềuchế ngoài khác: electron sorption modulator (EAM).

b Bộ điều chế hấp thụ electron (EAM)

Nhược điểm lớn của các bộ điều chế ngoài đó là tổn hao chèn, thôngthường tổn hao chèn của một bộ điều chế có thể lên đến 5dB, và điện áp điều chếcao (10V) Ngoài ra còn có 1 nhược điểm nữa đó là sự cứng nhắc của nó, khiếncác nhà thiết kế và quản trị mạng quang phải đau đầu Họ muốn có một bộ pháttích hợp chức năng điều chế bên trong laser diode có thể phát ra ở nhiều tần sốvào một con chip mà không bị ảnh hưởng của hiện tượng chirp.Người ta sử dụng

bộ điều chế ngoài bức xạ electron Nguyên tắc hoạt động của nó như sau: Mộtlaser DFB phát ra một nguồn sáng liên tục, tia sáng này chạy qua ống dẫn sóngđược chế tạo bằng các vật liệu bán dẫn Khi không có điện áp điều khiển đặt vào,ống dẫn sóng gần như trong suốt với nguồn sáng được phát ra từ laser DFB bởi

vì tần số cắt của nó, λC, ngắn hơn bước sóng tia tới, khi một hiệu điện thế điều

khiển đặt vào, một khoảng trống (band gap), Eg của vật liệu ống dẫn sóng tănglên Đó được gọi là hiệu ướng Franz-Keldsysh, khi khoảng năng lượng này tăng

lên, tần số cắt giảm xuống (λC = 1024/Eg) và vật liệu của ống dẫn sóng bắt đầu

bức xạ tia tới Bằng cách thay đổi điện áp của ống dẫn sóng bán dẫn, đặc tính bức

xạ của ống dẫn sóng cũng thay đổi Điều thú vị là loại bộ điều chế này là vật liệubán dẫn làm ống dẫn sóng có thể được sản xuất trên nền của DFB laser

Đặc điểm của bộ điều chế bức xạ electron này là:

Công suất quang ngõ ra bộ điều chế EA có thể đạt được 0dBm Thôngthường, ngõ ra của các bộ phát có công suất nhỏ hơn so với trường hợp điều chếtrực tiếp Tuy nhiên, công suất ngõ ra của bộ điều chế EA không những khôngnhỏ hơn mà đôi khi còn lớn hơn

 Điệp áp điều khiển bộ điều chế nhỏ chỉ khoảng 2V

 Tỉ số chênh lệch động, Pmax /P min, lớn.

Điều chế cân bằng

Lọc thông dảiIF

RF ở BS khiến làm cho giá thành của BS tăng lên Điều này không có lợi một ưuđiểm khác của kỹ thuật này nữa là cần băng thông rất nhỏ (trên miền quang) nên

nó có ý nghĩa rất lớn khi sử dụng kết hợp với kỹ thuật WDM

Hình 2.4 Sơ đồ khối bộ nâng tần

Giả sử ta có tín hiệu sIF(t) ở tần số IF:

s IF(t )=cos(ω IF t+ϕ s) (2.2.1)

Cường độ điện trường của tín hiệu quang mang tín hiệu trên có dạng:

E(t )=K s IF(t ).e jωω opt t +ϕ

bộ nâng tần (hay còn gọi là bộ điều chế cần bằng)

Trước hết 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 hưởngkhá nghiêm trọng đến chất lượng của tín hiệu truyền đi nhất là tín hiệu tần sốcàng cao Tuy nhiên, giá thành của BS tăng lên do ở mỗi BS cần có một bộ dịchchuyển tần số Sự phức tạp ở đây không phải là bộ dịch chuyển tần số mà đóchính là bộ giao động bên trong nó, hoạt động ở tần số cao và cần sự ổn định.Băng thông cần thiết cho mỗi kênh truyền là rất nhỏ, nên khi kết hợp kỹthuật WDM thì rất có lợi, vì số kênh mở rộng nhiều trong khi đó do cần băngthông lớn nên các tín hiệu quang truyền dẫn sóng RF kết hợp WDM có số kênh íthơn

2.3 Kết hợp WDM trong kỹ thuật RoF

2.3.1 Khái niệm WDM

Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) làcông nghệ trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn hai hay nhiều bước sóng tínhiệu quang Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổhợp lại (ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang, ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đóđược phân giải ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuốikhác nhau

- Tính trong suốt: Do công nghệ WDM thuộc kiên trúc lớp vật lý nên có thể

hỗ trợ các định dạng số liệu, thoại như: ATM, Gigabit Ethernet, chuyển mạchkênh, IP…

- Khả năng mở rộng: Những tiến bộ trong công nghệ WDM hứa hẹn tăngbăng thông truyền trên sợi quang lên đến hàng Tbps, đáp ứng nhu cầu mở rộngmạng ở nhiều cấp độ khác nhau

- Hiện tại chỉ có duy nhất công nghệ WDM cho phép xây dựng mô hìnhmạng truyền tải quang OTN (Optical Transport Network) giúp truyền tải trongsuốt nhiều lại hình dịch vụ, quản lý mạng hiệu quả, định tuyến linh động…

b Nhược điểm

- Vẫn chưa khai thác hết băng tần có thể của sợi quang (chỉ mới tận dụngđược băng C và băng L)

- Qúa trình khai thác bảo dưỡng phức tạp

- Nếu hệ thống sợi quang đang sử dụng là DSF theo chuẩn G.653 thì rất khótriển khai WDM vì xuất hiện hiện tượng trộn bốn bước sóng

2.3.3 Kết hợp WDM trong kỹ thuật RoF

Với những ưu điểm vượt trội của mình thì việc ứng dụng kỹ thuật WDMvào mạng RoF mang lại nhiều ưu điểm như đơn giản hóa mô hình mạng bằngcách ấn định các bước sóng khác nhau cho mỗi BS riêng biệt, cho phép nâng cấpmạng và các ứng dụng dễ dàng hơn và cung cấp một phương tiện quản lý mạngđơn giản, (hình 2.5), là một ví dụ trong ứng dụng này cho tuyến downlink Nhưvậy, với mô hình dưới, thì chỉ cần một sợi quang thì kỹ thuật RoF đã có thể phục

vụ được cho rất nhiều các BS, số lượng các BS được phục vụ là tùy thuộc vào sốlượng kênh quang có thể truyền được trên sợi quang đó.

Hình 2.5 Sự kết hợp truyền dẫn WDM và RoF

Tuy nhiên khó khăn trong ứng dụng kỹ thuật WDM ở đây là mỗi kênhquang truyền một sóng mm ở tần số 60GHz Do đó bề rộng phổ mỗi kênh quangvượt quá bề rộng phổ một kênh WDM Ví dụ như (hình 2.6a) sử dụng phươngpháp đều chế 2 biên và (2.6b) sử dụng phương pháp điều chế 1 biên để truyềnmột sóng mm ở băng tần 60Ghz tức phải tốn một kênh 100MHz vì bề rộng phổtrong lưới ITU–T có chuẩn là 100MHz Ở phương pháp sử dụng điều chế 2 biênthì ta cần phải sử dụng đến một kênh 200GHz Như vậy có một sự lãng phí lớnbăng thông trong sợi quang hoặc là các thiết bị trong WDM cũ sẽ không tươngthích được trong kỹ thuật RoF Hiện nay đang có nhiều nghiêng cứu trong lĩnhvực này, để gia tăng hiệu suất sử dụng phổ, khái niệm chèn tần số quang (opticalfrequency intterleaving) đã được đưa ra

100GHz

f

f (a)

(b)

optical carrier

side

band

Hình 2.6 a Điều chế hai dải biên, b Điều chế triệt một dải biên

Mặc khác, mối quan hệ giữa số lượng bước sóng yêu cầu cho mỗi BS, mỗi

BS phải được cấp đủ số bước sóng để hoạt động song công hoàn toàn duplex), nên cần phải đến có đến 2 bước sóng, một cho chiều downlink và mộtcho chiều ngược lại (uplink) Trong một kỹ thuật tái sử dụng bướt sóng đã được

(full-đề cập đến, dựa trên kỹ thuật khôi phục sóng mang quang dùng trong tín hiệudownlink và được sử dụng lại bước sóng đó cho chiều truyền dẫn uplink, nhưvậy chỉ tốn có 1 bước sóng cho cả hai chiều truyền dẫn Tăng hiệu quả sử dụngbăng thông của sợi quang

Hình 2.7 thể hiện một kiến trúc sóng mang đơn hướng mà nó được sử dụng

để cung cấp các dịch vụ vô tuyến băng thông rộng Ở CS, tất cả các nguồn sánguplink và down link được ghép lại và khuếch đại lên truyền đi trong sợi quang.Một bộ điều chế kênh downlink và giải điều chế uplink sẽ đưa các tín hiệu quangvào trong sợi quang được nối với nhau theo mạng ring Tại mỗi BS, một cặpbước sóng down – uplink sẽ được xen rẽ thông qua một bộ OADM (opticaladd/drop multiplexer) bởi một bộ EAT, cả 2 thao tác diễn ra một cách đồng thời

ở BS Kênh uplink đã được điều chế sẽ được thêm vào trong sợi quang và truyềnvòng về CS, tại đó chúng sẽ được giải ghép và khôi phục tín hiệu Ưu điểm chính

của mạng ring WDM P2MP này là khả năng tập trung tất cả các nguồn phátquang ở CS, cho phép có được một cấu hình BS đơn giản.

Hình 2.7 Kiến trúc vòng ring RoF dựa trên WDM

2.4 Kết luận chương

Trong chương này, chúng ta đã tìm hiểu và nghiên cứu các kỹ thuật điềuchế sóng mm trên sợi quang, mỗi kỹ thuật đều có ưu và nhược điểm riêng màchúng ta đã biết Sự kết hoàn hỏa với hệ thống với WDM để có thể tận dụngđược những ưu điểm vượt trội của công nghệ WDM đồng thời cũng góp phầnlàm đơn giản hóa hệ thống Chính khả năng cung cấp dịch vụ băng rộng trên cơ

sở hạ tần đơn giản với nhiều ưu điểm như giá thành hạ, triển khai dễ dàng, bảodưỡng nhanh chóng nên mạng RoF hứa hẹn cho một mạng không dây trongtương lai

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT RADIO OVER FIBER VÀO

MẠNG TRUY NHẬP KHÔNG DÂY

3.1 RoF trong mạng WLAN ở băng tần 60Ghz

3.1.1 Khái niệm WLAN (Wireless Local Area Network)

Mạng LAN không dây viết tắt là WLAN (Wireless Local Area Network)

là một mạng dùng để kết nối hai hay nhiều máy tính với nhau mà không sử dụngdây dẫn WLAN dùng công nghệ trải phổ, sử dụng sóng vô tuyến cho phéptruyền thông giữa các thiết bị trong một vùng nào đó gọi là Basic Service Set

3.1.2 Đặc điểm của mạng WLAN

a Ưu điểm

Mạng không dây không dùng cáp cho các kết nối, thay vào đó, chúng sửdụng sóng Radio Ưu thế của mạng không dây là khả năng di động và sự tự dongười dùng không bị hạn chế về không gian và vị trí kết nối Những ưu điểm củamạng không dây bao gồm:

- Khả năng di động và sự tự do - cho phép kết nối bất kì đâu trong khu vựctriển khai mạng Với sự gia tăng người sử dụng máy tính xách tay là một điều rấtthuận lợi

- Không bị hạn chế về không gian và vị trí kết nối: Người dùng có thể duytrì kếtnối mạng khi họ di chuy ển từ nơi này đến nơi khác

- Dễ lắp đặt và triển khai Đáp ứng tức thời khi gia tăng số lượng ngườidung, giảm chi phí lắp đặt

- Với những công ty mà vị trí không tốt cho việc thi công cáp như tòa nhà

củ, không có khoảng không gian để thi công cáp hoặc thuê chổ để đặt văn phòng

- Khả năng mở rộng: Mạng không dây có thể đáp ứng tức thì khi gia tăng sốlượng người dùng Với hệ thống mạng dùng cáp cần phải gắn thêm cáp

- Hiện nay, công nghệ mạng không dây đang dần dần thay thế các hệ thống

có dây vì tính linh động và nâng cấp cao

b Nhược điểm

- Nhiễu: Nhược điểm của mạng không dây có thể kể đến nhất là khảnăng nhiễu sóng radio do thời tiết, do các thiết bị không dây khác, hay các vậtchắn (như các nhà cao tầng, địa hình đồi núi…)

- Bảo mật: Việc vô tình truy ền dữ liệu ra khỏi mạng của công ty màkhông thông qua lớp vật lý điều khiển khiến người khác có thể nhận tín hiệu

và truy cập mạng trái phép Tuy nhiên WLAN có thể dùng mã truy cập mạng đểngăn cản truy cập, việc sử dụng mã tuỳ thuộc vào mức độ bảo mật mà ngườidùng yêu cầu Ngoài ra người ta có thể sử dụng việc mã hóa dữ liệu cho vấn đềbảo mật

- Phạm vi: Một mạng chuẩn 802.11g với các thiết bị chuẩn cũng chỉhoạt động tốt trong phạm vi vài chục met, nó chỉ phù hợp cho không giankhoảng cách nhỏ Nếu muốn sử dụng phải sử dụng thêm thiết bị Repeater hayAmplify dẫn đến chi phí gia tăng

3.1.3 Kiến trúc mạng RoF cho WLAN

Đối với mạng WLAN, do cấu trúc mạng cần đơn giản, các thiết bị giá thành

rẻ nên thường mạng sử dụng các kỹ thuật càng đơn giản càng tốt Đối với mạngWLAN trong chương này ta giả sử chúng có đặc tính sau: (1) song công phân tần

số và (2) khả năng thay đổi kênh RF động Hình vẽ 2.3 chỉ ra một ví dụ về kiếntrúc RoF được ứng dụng trong mạng WLAN

Với kiến trúc này, mạng sử dụng phương pháp điều chế sóng mang con,phương pháp đơn giản và có thể sẽ được sử dụng rộng rãi trong mạng RoF.Trong kỹ thuật này, dữ liệu từ tuyến truyền dẫn theo hướng downlink (từ CS tớiMH) đầu tiên được điều chế lên miền tần số RF thích hợp bởi một nguồn vôtuyến (được gọi là subcarrier) sau đó mới được điều chế lên miền quang (đượcgọi là maincarrier) bằng một nguồn quang Tín hiệu này được truyền trên sợiquang đến BS, ở đây các tín hiệu quang lại được chuyển về thành tín hiệu vôtuyến và được phát đi từ BS đến các MH Đối với tuyến uplink (từ MH đến CS)thì các tín hiệu nhận được ở BS sẽ được điều chế sang miền quang bằng một

nguồn quang Nó được truyền dẫn thông qua tuyến quang tới CS và được giảiđiều chế sang tín hiệu vô tuyến ở đây bởi PD Sau đó các dữ liệu của mỗi user sẽđược tách ra Do đặc điểm của mạng WLAN là khoảng cách từ BS đến các CS làkhoảng vài trăm mét nên ảnh hưởng của các hiện tượng phi tuyến lên tần số RF

là tương đối thấp, vì thế tín hiệu truyền trên sợi quang được truyền ở tần số RF.Hoạt động được mô tả trong (hình 3.1)

Hình 3.1 Kiến trúc mạng RoF cho WLAN

Với kiến trúc cho mạng WLAN này thì mỗi CS sẽ có rất nhiều bộ thu phát(TRX) bằng với số lượng của BS, và mỗi bộ thu phát bao gồm (1) nguồn sáng đểphát tín hiệu như laser, (2) một PD cho hướng uplink (3) và một modem để phát

và nhận dữ liệu ở miền RF Nhìn vào cấu hình trên ta cũng thấy rằng BS chỉ cónhững chức năng đơn giản là thu và phát tín hiệu, ngoài ra không có chức năng

xử lý tín hiệu nào được thực hiện ở BS Đối với mạng WLAN chúng ta đangkhảo sát thì các bộ điều chế ngoài được sử dụng thay cho các LD vì chúng hoạtđộng ở tần số 60GHz, tần số mà các LD không thể đáp ứng kịp Các bộ thu phát

có thể được trang bị các bộ dao động có thể điều chỉnh được nhưng vì giá thànhcao, nên đôi khi chúng được trang bị các bộ dao động với tần số cố định Sự thayđổi bộ giao động sẽ ảnh hưởng đến quá trình phân bổ tần số cho mạng RoF này

3.1.4 Giao thức bàn cờ

a Giới thiệu

Như ta đã biết, trong mạng WLAN phủ sóng một tòa nhà (building) thì mỗiphòng sẽ được phủ sóng bởi ít nhất một BS, gọi là một picocell Do bán kính mỗipicocell là tương đối nhỏ nên tòa nhà sẽ được phủ sóng bởi rất nhiều các picocell,

do đó quản lý tính di động của các thiết bị trong mạng là một điều rất cần thiết.Trong mạng WLAN, ta giả sử mạng sử dụng mạng hoạt động ở chế độ song côngphân tần số FDD (Frequency Devision Duplex), do các thiết bị sử dụng bằngphương pháp này đơn giản, rẻ tiền và đang được phát triển rất thành công Bằngcách phân chia băng thông tổng của hệ thống thành 2n kênh với n kênh downlink

được ký hiệu là f1 , f 2 , …, f n và n kênh uplink được ký hiệu là fn+1 , f n+2 , …, f 2n

Hình 3.2 Giao thức chuyển giao bàn cờ

Chú ý rằng băng thông, bề rộng phổ mỗi kênh tần số, của tuyến downlink

và uplink là không đồng nhất, không giống nhau, vì vậy mạng có khả năng hỗ trợ

lưu lượng bất đối xứng Hơn nữa, trục thời gian cũng có thể được chia thành cáccác khe thời gian (time slot) bằng nhau và n khe thời gian được nhóm lại thành

một một khung, (hình 3.2) mô tả khung thời gian với n=10.

b Mô tả giao thức

Trước hết, khi MH tham gia vào quá trình truyền dữ liệu, nó sẽ được ấnđịnh một cặp kênh tần số nào đó trong 2n kênh vô tuyến mà mạng WLAN đó hỗ

trợ (fi , f n+i ) i=1, 2, 3, …,n và một cặp khe thời gian (t k , t k+1 ) tuần hoàn chu kỳ n

cho tuyến downlink và uplink (xem hình) Khi MH nhận được tín hiệu cho phéptruyền từ kênh downlink fi trong khe thời gian tk thì nó được phép truyền dẫn các

gói thông qua kênh uplink fi+n trong khe thời gian kế tiếp tk+1 Mọi BS đều hổ trợ

các kênh (tần số kết hợp khe thời gian), tuy nhiên mỗi chúng chỉ được sử dụng

những khe thời gian quy định sẵn Trong hình vẽ là một ví dụ với n=5 Trong

mỗi khung thời gian, mỗi khe thời gian trong n khe chỉ được sử dụng đúng 1 lần.Các picocell kề nhau không được sử dụng lại kênh (được quy định bằng một mãFS) đó để tránh hiện tượng nhiễu giao thoa đồng kênh Một mã FS chỉ được sửdụng bởi một picocell và có thể được sử dụng lại bởi một picocell khác khikhoảng cách của chúng đủ lớn để tránh hiện tượng giao thao tín hiệu Một vấn đềquan trọng trong giao thức này đó chính là vấn đề đồng bộ Do sử dụng phươngpháp TDM nên việc đồng bộ giữa các thiết bị là không thể thiếu, tuy nhiên vấn

đề đồng bộ tần số và khe thời gian tương đối đơn giản Với giao thức này, việcđồng bộ phải được thực hiện trên toàn bộ các picocell, tức là các picocell cũngphải được đồng bộ khe thời gian với nhau, việc đồng bộ các cell thật sự đơn giảnnhờ kiến trúc tập trung, CS sẽ đảm nhận vai trò đồng bộ này Để đồng bộ với các

BS, các CS bắt đầu đo khoảng thời gian truyền tín hiệu đến BS rồi truyền ngược

về CS (round-trip time) gọi là RTT, lúc đó CS có thể ấn định được khoảng thờigian truyền từ BS tới CS là RTT/2 để đồng bộ các BS

Giao thức chuyển giao bàn cờ đã được ứng dụng nhiều trong một số hệthống sử dụng phương pháp nhảy tần như BlueTooth thường thấy ở các điệnthoại di động ngày nay Tuy nhiên trong mạng WLAN giao thức chuyển giao bàn

cờ có một số điểm khác biệt: (1) trong hệ thống nhảy tần thì các BS và MH sẽ

thay đổi kênh tần số theo một quy luật cho trước (gọi là mã giả ngẫu nhiên), tuynhiên trong giao thức bàn cờ thì chỉ có các BS hiệu chỉnh tần số của nó còn MHvẫn giữ nguyên cặp tần số hoạt động của nó, (2) giao thức chuyển giao bàn cờđược kết hợp với kiến trúc mạng tập trung ở CS nên có tránh được hiện tượngnhiễu giao thoa đồng kênh, tránh được việc sử dụng 2 tần số chuyển mạch cùngnhau trong các picocell gần nhau Do đó trong hệ thống WLAN sử dụng giaothức bàn cờ người ta thường sử dụng khái niệm chuyển đổi tần số (frequencyswiching) thay cho khái niệm nhảy tần (frequency hopping).

c Chuyển giao

Một đặc điểm quan trọng của giao thức bàn cờ này đó là quá trình chuyểngiao khi MH di chuyển từ BS này sang BS khác là rất đơn giản và nhanh Thời

gian chuyển giao chỉ mất tối đa (2n+1) khe thời gian nhờ sự đơn giản và nhanh

đó nên giao thức được sử dụng trong mạng WLAN, để giảm bớt sự phức tạp củacác MH Ta sẽ tìm hiểu một ví dụ chuyển giao khi MH di chuyển từ BS này sang

BS khác như hình vẽ dưới, trong (hình 3.3) là ví dụ với n = 5.

Hình 3.3 Độ trễ chuyển giao trong giao thức chuyển giao bàn cờ

Cơ chế chuyển giao xảy ra như sau: trước hết ở cell cũ các MH nhận tínhiệu cho phép ở khung thời gian có tô màu đen và trả lời lại bằng tại các khe thờigian có đường gạch chéo (đã được mô tả trong giao thức bàn cờ) Lúc này MH sẽ