Tài liệu Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam

tai lieu, luan van1 of 98 TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HỮU NGHỊ VIỆT-HÀN KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG KHƠNG DÂY VÀ VẤN ĐỀ THIẾT KẾ, TÍNH TỐN, TỐI ƢU TUYẾN TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM SVTH : Hồ Thị Kim Tiến Lớp : CCVT06B Niên khóa : 2013 - 2016 CBHD : ThS Dương Hữu Ái Đà Nẵng, tháng năm 2016 document, khoa luan1 of 98 tai lieu, luan van2 of 98 LỜI CẢM ƠN Trải qua năm học- chặng đường nhiều thử thách, khó khăn đạt khơng thành cơng thân em Trong khoảng thời gian hồn hành đồ án tốt nghiệp có nhiều lúc em thấy áp lực, nhờ giúp đỡ bạn bè, hướng dẫn tận tình thầy cô giúp em nhiều trình thực đồ án Đây hội để em gửi lời cảm ơn đến người Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS Dương Hữu Ái, giảng viên khoa Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông, trường Cao Đẳng CNTT Hữu Nghị Việt – Hàn, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em suốt trình thực đồ án Em xin chân thành cảm ơn nhà trường, thầy cô giáo trường Cao Đẳng CNTT Hữu Nghị Việt – Hàn nói chung, thầy cô khoa Điện Tử - Viễn Thơng nói riêng dạy dỗ cho em kiến thức môn đại cương môn chuyên ngành, giúp em có kiến thức, sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình học tập Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt q trình học tập hồn thành đồ án tốt nghiệp Xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng, tháng năm 2016 Sinh viên Hồ Thị Kim Tiến document, khoa luan2 of 98 i tai lieu, luan van3 of 98 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC BẢNG .vi DANH MỤC HÌNH vii PHẦN MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY (Free Space Optics - FSO) 1.1 Giới thiệu hệ thống truyền thông quang FSO .4 1.1.1 Khái niệm FSO 1.1.2 Lịch sử phát triển 1.1.3 Ưu, nhược điểm FSO 1.2 Các kiến trúc mạng đƣợc dùng FSO mặt đất 1.2.1 Kiến trúc mạng lưới 1.2.2 Kiến Trúc Mạng Điểm – Đa Điểm 10 1.2.3 Kiến Trúc Mạng Nhiều Tuyến Điểm – Điểm 11 1.2.4 Kiến Trúc Mạng Vòng 11 1.3 Mơ hình hệ thống FSO 11 1.3.1 Bộ phát 12 1.3.2 Kênh truyền 12 1.3.3 Bộ thu 13 1.4 Kết luận 13 CHƢƠNG 2: MỘT SỐ ỨNG DỤNG TIÊU BIỂU CỦA HỆ THỐNG FSO 14 2.1 Ứng dụng thông tin mặt đất 14 2.1.1 Kết nối tốc độ cao tòa nhà 14 2.1.2 Ứng dụng mạng truy nhập đầu cuối 15 2.1.3 Ứng dụng trao đổi thông tin cá nhân 17 2.2 Ứng dụng thông tin vệ tinh .17 2.2.1 Phục vụ hoạt động người không gian 18 2.2.2 Truyền liệu từ vệ tinh quan sát 19 document, khoa luan3 of 98 ii tai lieu, luan van4 of 98 2.2.3 Trao đổi thông tin tàu vũ trụ vệ tinh .19 CHƢƠNG 3: CÁC VẤN ĐỀ TRONG VIỆC THIẾT KẾ TUYẾN QUANG KHÔNG DÂY 20 3.1 Giới thiệu chƣơng 20 3.2 Đặc điểm, yêu cầu phát 20 3.3.1 Nguồn phát 21 3.3.2 Bộ khuếch đại 23 3.3 Đặc điểm, yêu cầu thu 23 3.3.1 Bộ tách sóng bước sóng ngắn (hồng ngoại 1330nm) 23 3.3.2 Bộ tách sóng bước sóng dài (hồng ngoại 1550nm) 24 3.4 Đặc điểm kênh truyền hệ thống FSO 25 3.4.1 Các loại suy hao môi trường truyền dẫn FSO 25 3.4.2 Ảnh hưởng thay đổi khơng khí đến chất lượng tín hiệu 27 3.5 Yếu tố ảnh hƣởng, đánh giá, nâng cao chất lƣợng tuyến quang không dây 28 3.5.1 Tham số ảnh hưởng đến chất lượng tuyến 28 3.5.1.1 Phương trình truyền tuyến 28 3.5.1.2 Độ suy giảm khơng khí 30 3.5.2 Tham số đánh giá chất lượng tuyến .32 3.5.2.1 Khả sử dụng tuyến 32 3.5.2.2 Tỉ lệ lỗi bit BER tốc độ liệu khoảng cách truyền 32 3.5.3 Tham số nâng cao chất lượng tuyến 34 3.6 Lựa chọn tần số 35 3.6.1 Ảnh hưởng suy giảm khơng khí tới bước sóng 35 3.6.2 Thiết bị thu, phát 37 3.6.3 Sự an toàn với mắt người 37 3.7 Kết luận chƣơng 38 CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ, TÍNH TỐN VÀ TỐI ƢU TUYẾN THƠNG TIN QUANG KHƠNG DÂY TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM 39 4.1 Giới thiệu chƣơng 39 4.2 Đánh giá điều kiện thời tiết Việt Nam tính tốn suy hao thực tế có đối đƣờng truyền FSO Việt Nam 39 4.2.1 Khí hậu Việt Nam 39 document, khoa luan4 of 98 iii tai lieu, luan van5 of 98 4.2.2 Tính tốn độ suy hao tuyến FSO thực tế có Việt Nam .41 4.2.3 Tính tốn độ dự trữ cơng suất BER tuyến FSO 43 4.3.1 Lưu đồ thuật tốn, chương trình kết tính tốn Matlab 44 4.3.2 Mô tuyến FSO 1km phần mềm Optisystem 7.0 50 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN document, khoa luan5 of 98 iv tai lieu, luan van6 of 98 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt APD (Si- Thuật ngữ tiếng anh Nghĩa tiếng việt Silicon Avalanche Photodiode APD) EDFA FSO FTTH IM InGaA Erbium Doped Fiber Amplifier Free-space optical communication Thông tin quang không dây Fibre to the home Internet cáp quang Intensity Modulation Điều chế cường độ Indium gallium arsenide LOS Light Of Sight Truyền dẫn thẳng LD Lazer Diode Diot Laze NRZ Non-return to zero Không trở không OOK On-Off Keying Khóa đóng mở SOA Semiconductor optical amplifiers Bộ khuếch đại bán dẫn quang Si-PIN Silicon PIN P-type, Intrinsic, Ntype SNR Signal to noise ratio Tỷ số tín hiệu tạp âm UWB Ultra wide band Băng siêu rộng VCSELs document, khoa luan6 of 98 vertical-cavity surface-emitting Laser phát xạ mặt với laser cộng hưởng thẳng đứng v tai lieu, luan van7 of 98 DANH MỤC BẢNG Số hiệu bảng 3.1 Tên bảng Phân loại độ an toàn laser phát nguồn bán kính hạt tán xạ khơng khí tham số kích 3.2 Trang 20 31 thước tương ứng bước sóng laser 785 nm 1550 nm document, khoa luan7 of 98 vi tai lieu, luan van8 of 98 DANH MỤC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang Hình 1.1 Hệ thống truyền thơng quang khơng dây Hình 1.2 Chương trình MLCD NASA Hình 1.3 Những thách thức FSO Hình 1.4 Kiến trúc mạng lưới 10 Hình 1.5 Kiến trúc mạng điểm- đa điểm 10 Hình 1.6 Kiến trúc điểm- điểm 11 Hình 1.7 Kiến trúc mạng vịng 11 Hình 1.8 Sơ đồ khối hệ thống truyền thống truyền thơng quang khơng dây 12 Hình 2.1 Kết nối tốc độ cao tịa nhà 15 Hình 2.2 FSO ứng dụng mạng truy nhập đầu cuối 16 Hình 2.3 FSO thơng tin vệ tinh 18 Hình 2.4 Truyền dẫn quang khơng dây từ vệ tinh tới trạm mặt đất 19 Hình 3.1 Dịng laser, điền áp thn cơng suất quang đầu 21 Hình 3.2 Điều chế IM hai nhiệt độ khác 22 Hình 3.3 Cấu tạo Laser VCSEL 22 Hình 3.4 Mơ hình thu phát Laser dùng hệ thống FSO 25 Hình 3.5 Ảnh hưởng mơi trường đến tuyến FSO 26 Hình 3.6 Vệt đốm kích thước trung bình miệng thu 28 Hình 3.7 Cơng suất thu phụ thuộc vào tích hệ số suy giảm khoảng cách 29 Hình 3.8 Tham số kích thước hạt tán xạ 31 Hình 3.9 Ảnh hưởng sương mù, bão tuyết 33 Hình 3.10 Hệ số BER khoảng cách 1,25Gb/s 33 Hình 3.11 Tốc độ liệu khoảng cách 34 Hình 3.12 Hàm thời gian sống diode giảm theo chiều tăng nhiệt độ 34 Hình 3.13 Thời gian sống tỉ lệ nghịch với công suất laser 35 Hình 3.14 Sự phụ thuộc truyền bước sóng vào điều kiện khơng khí, 36 đo khoảng cách 1km, tầm nhìn 200m Hình 4.1 Mơ tả ngày sương mù bình qn tỉnh thành nước 41 Hình 4.2 BER thay đổi theo công suất phát 1550nm tốc độ 1.25Gbps 50 Hình 4.3 Preceive thay đổi theo BER bước sóng 1550nm tốc độ 1,25Gbps 50 Hình 4.4 Mơ hình tuyến FSO 1km Việt Nam 52 Hình 4.5 Giản đồ mắt BER channel 53 Hình 4.6 Giản đồ mắt channel kênh 53 document, khoa luan8 of 98 vii tai lieu, luan 98 tin quang khơng dây vấn đề thiết kế, tính tốn, tối ưu tuyến Hệ van9 thốngof thông điều kiện khí hậu Việt Nam PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày nay, gia tăng không ngừng lưu lượng Internet phát triển nhanh chóng công nghệ quang tạo nên bước chuyển biến mẻ kiến trúc mạng viễn thông Các hệ thống truyền thông quang sử dụng sợi quang có khả truyền tải với dung lượng lớn, kết nối nhiều người dùng cung cấp nhiều loại dịch vụ thoại, fax, hình ảnh, số liệu Cùng có khả truyền dẫn tốc độ cao, hệ thống truyền thông quang không dây (Free Space Optics- FSO) lại dễ dàng lắp đặt, di chuyển thiết lập lại cấu hình mạng cần FSO công nghệ viễn thông sử dụng truyền lan ánh sáng khơng gian để truyền tín hiệu hai điểm, tín hiệu quang, thay truyền sợi quang, phát búp sóng quang qua khơng gian FSO có độ an tồn cao sử dụng thơng tin tầm nhìn thẳng LOS (line-of-sight) tính hướng búp sóng quang cao Tương lai ngày địi hỏi phải có giải pháp truyền dẫn tốc độ cao để đáp ứng yêu cầu doanh nghiêp, tổ chức cá nhân Truyền thông quang không dây (FSO) công nghệ hứa hẹn ngày nhận quan tâm nhà nghiên cứu Dung lượng hệ thống FSO tương đương với dung lượng thông tin cáp quang, nhiên giá thành để triển khai lại phần nhỏ so với FTTH Thêm vào đó, hệ thống FSO nhanh chóng triển khai sử dụng tái sử dụng Tuy nhiên, chưa có nhiều nghiên cứu Việt Nam cơng nghệ truyền thông quang không dây Đặc biệt xu hướng chung giới chuyển sang nghiên cứu đến hệ thống FSO Vì em xin chọn đề tài: “Hệ thống thông tin quang không dây vấn đề thiết kế, tính tốn, tối ưu tuyến điều kiện khí hậu Việt Nam” Nội dung đồ án chia thành chương: Chương 1: Tổng quan hệ thống truyền thông quang không dây FSO (Free Space Optics - FSO) Chương 2: Một số ứng dụng tiêu biểu hệ thống FSO Chương 3: Các vấn đề việc thiết kế tuyến quang không dây Chương 4: Thiết kế, tính tốn tối ưu tuyến thơng tin quang khơng dây điều kiện khí hậu Việt Nam Hồ ThịofKim document,SVTH: khoa luan9 98.Tiến_Lớp: CCVT06B tai lieu, luan of 98.tin quang không dây vấn đề thiết kế, tính tốn, tối ưu tuyến Hệ van10 thống thơng điều kiện khí hậu Việt Nam Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu hệ thống truyền thông quang không dây (Free Space Optics- FSO) ưu, nhươc điểm phương pháp khăc phục - Tìm hiểu phận, yếu tố vấn đề việc xây dựng hệ thống thơng tin quang khơng dây - Phân tích yếu tố khí hậu, mơi trường Việt Nam Tính tốn áp dụng lý thuyết để mơ thiết kế,tối ưu hệ thống FSO Việt Nam - Vận dụng kiến thức lý thuyết nêu ứng dụng FSO vào thực tiễn - Rèn luyện kỹ làm việc độc lập Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu, tìm hiểu tổng quan hệ thống truyền thông quang không dây - Các vấn đề việc thiết kế hệ thống quang không dây - Khí hậu, điều kiện thời tiết Việt Nam để thực mô tuyến FSO Phƣơng pháp nghiên cứu - thu thập liệu, tìm hiểu qua phương tiện truyền thông (sách báo, internet…) tài liệu có liên quan để thuận tiện việc nghiên cứu thực đồ án - Tham khảo ý kiến ý đóng góp, tiếp thu hướng dẫn gợi ý giảng viên hướng dẫn đồ án tốt nghiệp Dự kiến kết - Nắm vững kiến thức công nghệ FSO, thuật ngữ chuyên nghành thông qua hướng dẫn giảng viên hướng dẫn - Thiết kế mô hệ thống FSO Việt Nam phần mềm Optisystem - Nêu ứng dụng công nghệ truyền thông qua FSO - Một số nội dung khác phát sinh q trình làm đồ án tốt nghiệp thơng tin cập nhật Ý nghĩa khoa học thực tiễn Truyền thông quang không dây (FSO) công nghệ hứa hẹn ngày nhận quan tâm nhà nghiên cứu Dung lượng hệ thống FSO tương đương với dung lượng thông tin cáp quang, nhiên giá thành để triển khai lại phần nhỏ so với FTTH Thêm vào đó, hệ thống FSO nhanh chóng triển khai sử dụng tái sử dụng Hồ Thị of Kim Tiến_Lớp: CCVT06B document,SVTH: khoa luan10 98 tai lieu, luan of 98.tin quang không dây vấn đề thiết kế, tính tốn, tối ưu tuyến Hệ van52 thống thơng điều kiện khí hậu Việt Nam 4.3 Thiết kế, tính tốn tối ƣu tuyến FSO 4.3.1 Lưu đồ thuật tốn, chương trình kết tính tốn Matlab Dựa thơng tin có được, ta xây dựng thuật tốn tìm phương án tối ưu cho tuyến quang Việt Nam Thông số đầu vào là:  Khoảng cách tuyến FSO: 1km;  mưa: 120mm/h  độ nhạy(photon/bit): 88303 Các yếu tố kiểm tra cho đường truyền chất lượng tốt là: - công suất phát : (10dBm - 20dBm) - tốc độ truyền: 2,048Mbps, 100Mbps, 155Mbps, 625Mbps, 1Gbps, 1,25Gbps - Bước sóng : 830nm - 1550nm Hồ Thị of Kim Tiến_Lớp: CCVT06B document,SVTH: khoa luan52 98 44 tai lieu, luan of 98.tin quang khơng dây vấn đề thiết kế, tính tốn, tối ưu tuyến Hệ van53 thống thơng điều kiện khí hậu Việt Nam  Lƣu đồ thuật toán START Nhập liệu đầu vào (khoảng cách link, lượng mưa, độ nhạy photon/bit) Tính tầm nhìn (visibility) hệ số q vịng lặp qt tốc độ bước sóng khả dụng Tính độ nhạy máy thu suy hao tổng Vịng lặp qt giá trị cơng suất khả dụng Yes Tính BER P-re > P-sen + Margin BER < BERmax (rate,bước sóng) No No Yes Ghi lại thơng số Quét hết giá trị Power Quét hết giá trị Rate, λ END Hồ Thị of Kim Tiến_Lớp: CCVT06B document,SVTH: khoa luan53 98 45 tai lieu, luan of 98.tin quang khơng dây vấn đề thiết kế, tính tốn, tối ưu tuyến Hệ van54 thống thơng điều kiện khí hậu Việt Nam  Chƣơng trình Matlab %chuong trinh toi uu hoa kenh FSO %nhap du lieu dau vao gom %photon/bit sensivity, luong mua toi da, khoang cach; % Nb=88303; %photon/bit sensivity rain=120; %mm/h range=1; %km % %khoi tao gia tri ban dau cho cac bien P_transmit=(10:0.5:25); %cong suat phat (dBm) lamda=(830:10:1550); %buoc song kha dung (nm) rate=[2.048 100 155 625 1000 1250]; %toc bit (Mbps) visibility=0; %tam nhin theo dk thoi tiet q=0; %he so tinh suy hao tan xa n=0.9; %quantium efficiency BERmax=[ 1 1 1]; %gia tri mac dinh cua BERmax P_transmit_optimize=BERmax; lamda_optimize=BERmax; loss=0; extra_V=0; % khong co su can tro tam nhin nao khac RAIN % %tinh visibility from rain % -if (rain>=100) visibility=-3.375*rain+1040; %unit:meter end if (rain>=50 & rain=25 & rain=12.5 & rain=2.5 & rain=2.5 & rain6000 & visibility1000 & visibility500 & visibility