Luận văn gồm 4 chương với nội dung tóm tắt như sau: Chương 1 Tổng quan về kỹ thuật thông tin quang vô tuyến; Chương 2 Hệ thống thu phát quang vô tuyến; Chương 3: Suy hao tín hiệu trong môi trƣờng truyền sóng; Chương 4 Thiết kế tuyến thông tin quang vô tuyến tại Đà Nẵng và mô phỏng bằng phần mềm Optiwave.
Trang 1LỜI MỞ ĐẦU
Kỹ thuật quang vô tuyến ra đời từ những thập niên đầu của thế
kỷ XX đến hiện nay đã phát triển mạnh ở một số quốc gia trên thế giới như Mỹ, Na Uy, Thuỵ Điển, Pháp nó đã mang lại hiệu quả to lớn trong việc hoàn thiện hệ thống thông tin quốc gia vì những ưu điểm nổi trội của nó như khả năng truyền tải thông tin băng rộng, tính tiện ích, giá thành thấp Chính vì vậy mặc dù ra đời sau nhưng rất phù hợp với mạng thông tin thế hệ mới hiện đại truyền tải dữ liệu tốc độ cao, nên nó đã được nhanh chóng đưa vào ứng dụng như một mạng xương sống trong đô thị của ngành viễn thông Việc nghiên cứu, tìm hiểu kỹ thuật quang vô tuyến là một vấn đề cấp thiết nhằm hiểu rõ chức năng các khối, nguyên lý hoạt động, cách tổ chức thành mạng thông tin và đặc biệt là tính ứng dụng vào điều kiện thời tiết, địa hình, kinh tế của nước ta vì không có mạng last mile bằng quang
vô tuyến thì sẽ gặp rất nhiều khó khăn cho mạng thông tin băng thông rộng khi phải kéo cáp quang cho mọi điều kiện địa hình, phải treo cáp lên cột điện trên phố điều mà các cơ quan chức năng đang muốn loại bỏ vì nó làm mất mỹ quan thành phố, hay phải đào đường phố để chôn cáp là một việc làm vừa ảnh hưởng tới cảnh quan đô thị vừa ảnh hưởng tới cuộc sống của người dân do vấn đề ách tắc giao thông, vừa tốn kém Các ứng dụng cụ thể của mạng thông tin quang
vô tuyến có thể được trình bày tổng quan như sau:
- Tổ chức mạng Last mile trong thành phố (mạng thông tin đến người tiêu dùng) truyền tải được dữ liệu của mạng thông tin băng thông rộng
- Tổ chức mạng thông tin băng rộng cho các khu vực biên giới, hải đảo những nơi có địa hình phức tạp
Trang 2- Tổ chức mạng thông tin băng rộng tốc độ cao cho các hoạt động dưới nước phục vụ cho tàu biển, tàu ngầm, nghiên cứu đại dương, tìm kiếm cứu nạn…
- Tổ chức mạng thông tin băng rộng cho các vệ tinh vũ trụ Xuất phát từ những vẫn đề trên, em đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình là “Nghiên cứu kỹ thuật thông tin quang vô tuyến Thiết kế tuyến thông tin quang vô tuyến tại Đà Nẵng”
Luận văn gồm 4 chương với nội dung tóm tắt như sau
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật thông tin quang vô tuyến Chương 2: Hệ thống thu phát quang vô tuyến
Chương 3: Suy hao tín hiệu trong môi trường truyền sóng Chương 4: Thiết kế tuyến thông tin quang vô tuyến tại Đà Nẵng và mô phỏng bằng phần mềm Optiwave
Trang 3CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN
QUANG VÔ TUYẾN 1.1 Giới thiệu chương
Nhiệm vụ của chương là giới thiệu lịch sử ra đời và phát triển của các hệ thống thông tin vô tuyến, đặc điểm của các hệ thống thông tin, mục đích đối tượng phục vụ của từng hệ thống, tính chuyên dụng và khả năng ứng dụng của hệ thống Độ đảm bảo an toàn của dữ liệu, tính vững chắc của hệ thống Độ suy hao tín hiệu trên đường truyền, giá thành của một mạng thông tin làm ảnh hưởng đến giá thành của một cuộc đàm thoại Qua đặc điểm của các hệ thống thông tin từ đó làm nổi bật lên ưu điểm nổi trội của hệ thống thông tin quang vô tuyến
Chương này giới thiệu về kỹ thuật quang vô tuyến, ứng dụng của quang vô tuyến, so sánh ưu nhược điểm của quang vô tuyến và các hệ thống thông tin khác như hệ thống thông tin sợi quang và các
hệ thống thông tin vô tuyến
1.2 Giới thiệu về kỹ thuật quang vô tuyến
1.2.1 Lịch sử ra đời và phát triển của các hệ thống thông tin vô tuyến
Hệ thống thông tin vô tuyến ra đời và phát triển rực rở nhất là trong thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX khi xã hội ngày càng phát triển nhu cầu sử dụng thông tin ngày càng tăng và yếu tố thúc đẩy nữa là cuộc chiến tranh thế giới hai nổ ra (1941) yêu cầu thông tin phục vụ cho chiến tranh rất cao, lần lượt các hệ thống thông tin ra đời và hoàn thiện như sóng dài, sóng trung, FM, vi ba, ra đa, vệ tinh, thông tin quang là những đỉnh cao của khoa học công nghệ, mỗi mạng thông tin có những đặc điểm khác nhau, có tác dụng ở một lĩnh vực
Trang 4khác nhau nhưng tất cả đều đảm bảo tính vững chắc của một mạng thông tin cần thiết Đến những thập niên giữa thế kỷ XX hệ thống thông tin quang vô tuyến mới ra đời với những ưu điểm vượt trội như băng thông rộng, tính linh hoạt của hệ thống.v.v đã nhanh chống được đưa vào ứng dụng trong cuộc sống nhằm phục vụ nhu cầu sữ dụng thông tin băng thông rộng của người tiêu dùng
1.2.2 Đặc điểm của hệ thống thông tin quang vô tuyến
Hệ thống thông tin quang vô tuyến Free Space Optics (FSO) ra đời là sự thay thế sóng điện từ Electro Magnetic (EM) bằng sóng ánh sáng Với bước sóng trong khoảng từ 780 - 1580 nm tương ứng với tần số khoảng từ 200 - 300 THz chính vì có tần số cao nên khả năng mang một lượng tin lớn, tốc độ truyền 1,25Gbps, băng thông cực rộng là một ưu điểm nổi trội của hệ thống thông tin quang vô tuyến Làm việc ở tần số ánh sáng nên vượt ra ngoài phạm vi của quản
lý tần số chính vậy không cần đăng ký và phân chia vùng tần số Nhược điểm không mong muốn là tín hiệu bị suy hao nhiều trong môi trường truyền đặc biệt là trong môi trường có mưa, sương
mù, khói bụi v.v
Quang vô tuyến mang lại một giải pháp hấp dẫn cho vấn đề
“last mile”, đặc biệt cho nhưng vùng đô thị mật độ dân đông Dịch
vụ quang vô tuyến cung cấp nhu cầu băng rộng mà không cần mở rộng việc xây dựng cấu trúc hạ tầng cơ sở đắt tiền
Công nghệ tầm nhìn thẳng này tránh sự lãng phí cả miền tần số
và không gian tồn tại trong công nghệ quảng bá Quang vô tuyến cung cấp 1 kênh với bảo mật dữ liệu cao dành riêng cho sự trao đổi thông tin giữa hai đầu cuối Không có sự cấp phát tần số kéo theo
Trang 5không có sự can nhiễu quan trọng giữa những kênh khác nhau thậm chí giữa những người dùng sử dụng một tần số sóng mang
Hình 1.1 Mô hình kỹ thuật quang vô tuyến
1.3 Ứng dụng của quang vô tuyến
1.3.1 Tổ chức mạng Last mile
“Last mile” là kết nối cuối phân phối từ nhà cung cấp thông tin tới khách hàng, thuật ngữ này được dùng trong ngành viễn thông Nó được xem như là một thách thức lớn cho các nhà cung cấp dịch vụ bởi vì việc triển khai rộng khắp dây và cáp dẫn là nhiệm vụ khó khăn
Để giải quyết vấn đề này nhằm mang lại những dịch vụ tốt nhất đến khách hàng ở vùng “last mile” thì hệ thống thông tin quang vô
Đường cáp
quang chính
2.5 – 10 Gbps
Trang 6tuyến mang lại một giải pháp hấp dẫn cho đặc biệt cho nhưng vùng
đô thị mật độ dân đông Dịch vụ quang vô tuyến cung cấp băng rộng
mà không cần mở rộng việc xây dựng cấu trúc hạ tầng cơ sở đắt tiền
Sự kết nối mềm mại giữa các khu vực có địa hình phức tạp, triển khai hệ thống thông tin cơ động nhanh, chính xác Tóm lại vấn đề last mile là cách để phục vụ một khối lượng khổng lồ người dùng nhu cầu thông tin một cách kinh tế nhất Vậy những phương tiện truyền dẫn “last mile” hiệu quả phải:
- Phân phát được công suất tín hiệu, tức kênh truyền phải thích hợp với mức công suất tín hiệu
- Suy hao thấp (ít xảy ra sự biến đổi sang các dạng năng lượng không mong muốn)
- Hỗ trợ băng thông rộng
- Truyền dẫn với tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR cao, công suất nhiễu thấp
- Cung cấp các kết nối linh hoạt
Ngoài những nhân tố này, một giải pháp tốt cho vấn đề last mile phải mang lại cho người dùng:
- Khả năng sẵn sàng sử dụng và độ tin cậy cao
- Dung lượng trên một người dùng
1.3.2 Tổ chức mạng MAN thành phố, LAN to LAN trong các tổ chức doanh nghiệp lớn
FSO có thể cung cấp 1 giao diện Ethernet trong môi trường LAN to LAN Điều này làm giảm bớt vấn đề kinh tế trong việc thiết lập các kết nối, giao diện giữa các khu vực, và việc hổ trợ đơn giản
Trang 7Vì vậy người quản lí mạng có thể xây dựng 1 mạng Fast Ethenet trong khu vực nhà trường, kí túc xá, với các kết nối điểm tới điểm đơn giản, với sự tối thiểu về kinh tế và nguy cơ phá vỡ mạng
1.3.3 Ứng dụng mạng GSM và 3G
Các mạng di động tế bào hiện tại có yêu cầu băng thông tăng trên các cấu trúc được sử dụng để kết nối các trạm thu phát sóng Đặc biệt các dịch vụ băng rộng của thế hệ mạng 3G làm vấn đề càng thêm cấp thiết Kích thước của các vùng phủ (cell), đặc biệt trong thành phố đang co lại FSO cung cấp 1 băng thông lớn, không yêu cầu sự cấp phép nào, cho phép nhà điều hành mạng triển khai mạng nhanh chóng và giá thành thấp Trong tương lai mạng điện thoại 4G; 4,5G sẽ đưa vào ứng dụng thì mạng quang vô tuyến lại càng quan trọng hơn trong công tác tổ chức mạng thông tin băng thông rộng phục phụ nhu cầu người tiêu dùng
1.3.4 Tổ chức mạng thông tin băng rộng tốc độ cao cho các hoạt động dưới nước
Phục vụ cho tàu biển, tàu ngầm, nghiên cứu đại dương, tìm kiếm cứu nạn…Là một nhu cầu công việc rất thiết thực phục phụ tốt cho những hoạt động trên biển kể cả quân sự và dân sự
1.3.5 Tổ chức mạng thông tin băng rộng cho các vệ tinh vũ trụ
Việc tổ chức mạng thông tin cho các vệ tinh vũ trụ liên lạc với nhau liên lạc với máy bay và liên lạc với các trạm mặt đất là hoàn toàn có thể vì càng cao thì không khí lại có ít thành phần làm cản trở hoặc phản xạ sóng hơn, độ ẩm trong không khí cũng ít hơn chính vì vậy độ suy hao tín hiệu thấp hơn so với tầng không khí gần dưới mặt đất nên cùng một công suất phát thì cự li liên lạc sẻ được xa hơn
Trang 81.4 So sánh ƣu nhƣợc điểm của quang vô tuyến và các hệ thống thông tin khác
1.4.1 Hệ thống thông tin hữu tuyến dùng cáp đồng trục
Ưu điểm của hệ thống thông tin dùng cáp đồng nói chung và cáp đồng trục nói riêng là, hệ thống chắc chắn, truyền tải được tín hiệu trong dải âm tần, chủ động trong thời gian đàm thoại
Nhược điểm là băng thông truyền dẫn thông tin hẹp chỉ trong phạm vi từ 0,3 đến 3,4 kHz là chủ yếu, tín hiệu bị suy hao trên đường truyền rất lớn khoảng 13 đến 20 dB trên 1Km, khoảng cách đặt các trạm lặp rất nhỏ khoảng 1Km/ trạm, độ trể tín hiệu lớn, kinh phí triển khai một mạng thông tin lớn vì dây cáp đồng rất đắt và thời gian triển khai một mạng thông tin rất dài
1.4.2 CATV (cáp truyền hình)
Các chương trình đài FM, Internet tốc độ cao, thoại và các dịch
vụ phi hình cũng được cung cấp Hệ thống truyền hình cáp đã được
mở rộng để cung cấp thông tin hai chiều trên đường cáp vật lý sẵn
có Nhưng băng thông cho hướng thông tin từ khách đến mạng và tỉ
số S/N đạt được là bị giới hạn nên người dùng gặp khó khăn khi chia
sẻ cáp truyền hình với các người dùng khác
1.4.3 Những hệ thống thông tin vô tuyến
Hệ thống AM thu phát ở tần số sóng dài khoảng 300 - 900 kHz
phản xạ qua tầng điện ly nên cự ly liên lạc xa suy hao tín hiệu trong môi trường truyền nhỏ nhưng băng thông rất hẹp chỉ dùng cho phát thanh
Hệ thống thông tin FM hệ thống này có tần số phát cao trong khoảng từ 30 – 300 MHz đây là hệ thống thu phát điểm - điểm tín hiệu được phát thẳng từ anten phát đến anten thu, do tần số thu phát
Trang 9cao băng thông rộng nên khả năng mang tin lớn hơn rất nhiều so với
hệ thống AM Nhược điểm là tín hiệu suy hao nhiều trên đường
truyền nên cự ly liên lạc gần
Truyền hình, phát thanh mặt đất hoạt động dải 50 MHz đến 1000 MHz chỉ đáp ứng yêu cầu băng thông cho dịch vụ truyền hình, không thích hợp với việc truyền song công Truyền tin không dây song công, hệ thống song công dung lượng cao giới hạn ở tần số UHF hoặc siêu cao tần và ở đường truyền điểm - điểm
Hệ thống dung lượng cao hơn như hệ thống di động tế bào thế
hệ 3G yêu cầu cơ sở hạ tầng lớn hơn, những địa điểm cell đặt gần nhau, nơi suy hao đường truyền lớn hơn trong không gian tự do, nơi truy cập nhiều hướng từ người dùng Đặc biệt tốc độ không cao, độ
an toàn và phí sử dụng không phù hợp với các khách hàng lớn, các doanh nghiệp, tổ chức kinh tế xã hội
Hệ thống vệ tinh có vùng phủ sóng rộng do đó phục vụ được nhiều người dùng cùng chia sẻ thông tin Nhưng đường truyền vệ tinh địa tĩnh rất dài nên không thích hợp cho những ứng dụng thời gian thực, tín hiệu bị suy giảm nghiêm trọng trừ khi sử dụng anten trạm mặt đất định hướng cao và tiết diện lớn Vệ tinh phải có dung lượng cao để đảm bảo nhu cầu của nhiều người dùng cùng chia sẻ và mỗi người dùng có anten lớn, với yêu cầu về độ định hướng cao để thu được tín hiệu Yêu cầu về hệ thống vệ tinh dung lượng cao và truyền tin hai hướng không kinh tế (do chi phí lắp đặt hệ thống vệ tinh)
1.4.4 Hệ thống thông tin cáp quang
Cáp quang là phương tiện trội hơn vì cung cấp dung lượng thông tin lớn, độ suy hao tín hiệu nhỏ Những công nghệ mới FTTx
Trang 10(dịch vụ cung cấp cáp quang trực tiếp đến người dùng) và mạng PON (mạng quang thụ động) có khả năng thỏa mãn nhu cầu băng thông rộng nhưng không phố biến cho hầu hết người dùng do chi phí lắp đặt cao và đôi khi không khả thi do địa hình và thời gian thi công mạng tương đối lớn
1.4.5 Hệ thống thông tin quang vô tuyến
Free Space Optics (FSO) là 1 kỹ thuật viễn thông sử dụng phương pháp truyền ánh sáng trong môi trường không gian tự do để truyền dữ liệu giữa 2 điểm Đó là kỹ thuật truyền băng rộng tầm nhìn thẳng sử dụng tín hiệu được điều chế bằng xung ánh sáng để truyền
dữ liệu Thay vì các xung ánh sáng được truyền trong sợi quang, chúng được truyền trong các luồng áng sáng hẹp xuyên qua không khí
Ưu điểm nổi trội của hệ thống thông tin quang vô tuyến là băng thông cực rộng, dung lượng cực lớn do truyền tải tần số cao hơn nhiều các hệ thống thông tin vô tuyến khác Băng thông (BW) gấp khoảng 10.000 lần so với thông tin vi ba (khoảng 200THz, tần số
vi ba khoảng 20 GHz) Triển khai hệ thống nhanh chính xác giá thành của hệ thống thấp nên giá thành của mỗi cuộc đàm thoại giảm xuống Băng thông rộng ghép được nhiều kênh đó cũng là một ưu điểm nổi trội
Nhược điểm hệ thống thông tin vô tuyến này là tín hiệu bị suy hao rất lớn trong môi trường truyền có mưa, sương mù, khói bụi… Chính vậy việc dự trữ công suất phát để bù suy hao trong môi trường truyền là vấn đề cần thiết để đảm bảo công suất thu với giá trị BER trong phạm vi cho phép
Trang 111.4.6 Xác định chất lượng của hệ thống quang vô tuyến
Phép đo chủ yếu giá trị của bất kì hệ thống thông tin là nó có thể truyền dữ liệu băng rộng hiệu quả cao qua một tuyến với tỉ lệ lỗi bit BER chấp nhận được hay không, thường là 10-9 hoặc tốt hơn Thách thức có ý nghĩa nhất đối với những hệ thống quang vô tuyến
là sự suy hao do không khí, đặc biệt là sương mù Trong điều kiện sương mù nhẹ hoặc khói mờ, sự suy giảm chỉ xảy ra ở những bước sóng dài
1.5 Kết luận chương
Với sự phát triển nhanh chóng nhu cầu truy cập băng rộng, sự ra đời các công nghệ băng rộng là cấp thiết hơn bao giờ hết thì các công nghệ hiện tại không đáp ứng được yêu cầu Trong khi đó công nghệ quang không gian là một giải pháp lý tưởng
Vấn đề lớn nhất là sự ảnh hưởng và phụ thuộc rất lớn vào điều kiện thời tiết môi trường Điều này xuất phát từ đặc trưng hệ thống dùng ánh sáng có bước sóng trong phạm vi suy hao và tán xạ lớn do các hạt lơ lững trong không khí như sương, mưa phùn, hơi ẩm, khói bụi
Trang 12CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THU PHÁT QUANG VÔ TUYẾN 2.1 Giới thiệu chương
Hệ thống thu phát quang vô tuyến một trong những yếu tố quan trọng quyết định đến sự thành công của mạng thông tin quang vô tuyến Từ mã hoá tin tức, điều chế tín hiệu, chuyển đổi E/O, khuếch đại quang, Laser phát, Laser thu, chuyển đổi O/E, giải điều chế, kỹ thuật ghép kênh…Tất cả các khối sẽ hợp thành hệ thống thu phát quang Laser việc hiểu rõ về kỹ thuật từng khối, nguyên lý làm việc
để từ đó tính toán mức công suất phát, độ nhạy máy thu, tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) sao cho đảm bảo tỷ lệ lỗi bít (BER) trong phạm vi cho phép
2.2 Phần phát
2.2.1 Giới thiệu chung về hệ thống
Kỹ thuật FSO là kết nối mạng vô tuyến dùng ánh sáng thay cho sóng radio, là kết nối quang dựa trên cơ sở Laser mà không dùng sợi quang Nó dựa trên kết nối giữa các thiết bị quang vô tuyến, mỗi thiết bị bao gồm các bộ thu phát quang để truyền và nhận tín hiệu quang để tạo ra kết nối song công Tại mỗi điểm kết nối sử dụng một nguồn quang và một thấu kính để truyền ánh sáng xuyên qua không khí tới thấu kính bên thu nhận thông tin Tại đây, thấu kính được kết nối tới một bộ thu có độ nhạy cao qua sợi quang
Xử lý tín hiệu theo mô hình sơ đồ thu phát quang vô tuyến theo quy trình là Tín hiệu tin tức cần gửi đi được mã hoá dưới dạng tín hiệu điện sau đó được đưa vào khối chuyển đổi O/E thành tín hiệu quang mang tin, qua khuếch đại quang, đảm bảo công suất phát sau
đó đưa tới Laser phát để thực hiện bức xạ tín hiệu quang ra môi
Trang 13trường Phía thu nhận được tín hiệu quang từ phía phát đưa tín hiệu qua khuếch đại quang đủ lớn đưa vào khối chuyển đổi E/O thành tín hiệu điện và xữ lý tin tức trên cơ sở tín hiệu điện Việc xử lý tín hiệu
để có được một hệ thống thu phát quang vô tuyến hoàn thiện còn qua nhiều công đoạn khác nhau như lọc, nén, ghép kênh tín hiệu…ở đây chỉ nêu những bước cơ bản của hệ thống thu phát quang vô tuyến
mà thường được dùng trong LASER có bước sóng 780 - 925 nm và
1525 - 1580 nm
Hệ thống FSO phải đạt được các chỉ tiêu sau:
- Khả năng hoạt động ở tần số cao