Nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã trong truyền thông quang không dây

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG NGUYỄN VĂN TIẾN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ TRONG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2012 Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: Ts. Đặng Thế Ngọc Phản biện 1: Ts. Hoàng Ứng Huyền Phản biện 2: Ts. Nguyễn Ngọc Minh Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: 8 giờ 00 ngày 20 tháng 01 năm 2013 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 1 MỞ ĐẦU Truyền thông quang không dây (FSO) là công nghệ truyền dẫn tín hiệu quang qua môi trường vô tuyến (không gian tự do). Trong những năm gần đây, truyền thông quang không dây đang được xem như một giải pháp hứa hẹn thay thế cho các kết nối vô tuyến băng rộng nhờ các ưu điểm mà nó có được bao gồm: tốc độ cao; chi phí hiệu quả; không yêu cầu cấp phép tần số; triển khai nhanh và linh hoạt. Nhằm triển khai kỹ thuật FSO trong mạng truy nhập, việc nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) trong truyền thông quang không dây đang thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu. Hệ thống CDMA quang không dây (FSO/CDMA) là hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã quang sử dụng phương thức truyền sóng ánh sáng qua không gian tự do để kết nối giữa các thiết bị phát và thu. Đa truy nhập được thực hiện bằng cách gán các chuỗi mã khác nhau cho các người dùng khác nhau. Nhờ đó, các hệ thống CDMA quang không dây có hiệu quả sử dụng tài nguyên cao, khả năng truy nhập không đồng bộ và khả năng an ninh cao. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm, hệ thống CDMA quang không dây cũng gặp phải những thách thức cần phải vượt qua đó là ảnh hưởng mạnh của tạp âm, nhiễu và các yếu tố tác động của môi trường truyền lan không gian như mưa, sương mù, khói, bụi, tuyết… và đặc biệt là sự nhiễu loạn không khí. Do đó, việc tiến hành nghiên cứu phân tích hiệu năng của hệ thống CDMA quang không dây nhằm đánh giá khả năng triển khai của giải pháp CDMA trong truyền thông quang không dây là rất cần thiết. Mục đích nghiên cứu của luận văn nhằm đưa ra giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã quang trong truyền thông quang không dây. Kết quả cụ thể của nghiên cứu là đưa ra mô hình hệ thống FSO/CDMA và phân tích hiệu năng của hệ thống FSO dưới sự ảnh hưởng của các loại nhiễu và nhiễu loạn không khí. 2 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY FSO Chương này tập trung giới thiệu khái quát công nghệ truyền thông quang không dây FSO, các đặc điểm của hệ thống cũng như mô hình của hệ thống FSO. Các thách thức và ứng dụng của hệ thống FSO cũng được đề cập 1.1 Giới thiệu FSO (hay truyền thông quang không dây) là công nghệ viễn thông sử dụng sự truyền lan ánh sáng trong không gian để truyền tín hiệu giữa hai điểm [18]. Đây là công nghệ truyền thông băng rộng tầm nhìn thẳng, trong đó tín hiệu quang, thay vì truyền trong sợi quang, được phát đi trong một búp sóng quang qua không gian. Một mạng truyền thông quang không dây bao gồm các bộ thu-phát quang (gồm một khối thu và một khối phát) cung cấp khả năng thông tin hai chiều. Mỗi khối phát quang sử dụng một nguồn quang và một thấu kính để phát tín hiệu quang qua không gian tới khối thu. Tại phía thu, một thấu kính khác được sử dụng để thu tín hiệu, thấu kính này được nối với khối thu có độ nhạy cao qua một sợi quang. Một tuyến FSO bao gồm hai bộ thu-phát được đặt trong tầm nhìn thẳng. Thông thường, các bộ thu phát được gắn trên nóc các tòa nhà hoặc sau các cửa sổ (Hình 1.1). Cự ly hoạt động của một tuyến FSO từ vài trăm mét tới vài km. Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống FSO thông thường 3 Các đặc điểm cơ bản của hệ thống FSO như sau: Băng thông điều chế rộng; Búp sóng hẹp; Không yêu cầu cấp phép phổ tần; Rẻ; Triển khai nhanh chóng; Phụ thuộc vào thời tiết. Ngoài các điểm trên, các đặc điểm khác của FSO bao gồm: Lợi ích từ truyền thông sợi quang hiện tại; không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ; không giống như hệ thống có dây, FSO là một hệ thống không cố định có thể thu hồi tài sản; phát xạ phải nằm trong giới hạn an toàn quy định; trọng lượng nhẹ và nhỏ gọn; tiêu thụ điện năng thấp; yêu cầu tầm nhìn thẳng và liên kết chặt chẽ như là một kết quả của việc búp sóng hẹp. 1.2 Mô hình hệ thống FSO Sơ đồ khổi của một tuyến FSO điển hình được thể hiện trên hình 1.2. Giống như bất kỳ công nghệ truyền thông nào, hệ thống FSO gồm ba phần: Bộ phát, kênh truyền và bộ thu. Hình 1.2: Sơ đồ khối của hệ thống FSO 1.2.1 Bộ phát Phần tử này có nhiệm vụ chính là điều chế dữ liệu gốc thành tín hiệu quang sau đó truyền qua không gian tới bộ thu. Phương thức điều chế được sử dụng rộng 4 rãi tại bộ phát là điều chế cường độ (IM), trong đó cường độ phát xạ của nguồn quang sẽ được điều chế bởi số liệu cần truyền đi. Việc điều chế được thực hiện thông qua việc thay đổi trực tiếp cường độ của nguồn quang tại bộ phát hoặc thông qua bộ điều chế ngoài như bộ giao thoa MZI. Việc sử dụng một 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 pha, tần số và trạng thái phân cực cũng có thể được sử dụng để điều chế với cùng với dữ liệu/thông tin thông qua việc sử dụng bộ điều chế ngoài. 1.2.2 Bộ thu Bộ thu hỗ trợ việc khôi phục các dữ liệu đã được phát đi từ phía phát. Bộ thu bao gồm các thành phần sau: a) Bộ thu tín hiệu quang – tập hợp và tập trung các phát xạ quang tới bộ tách sóng quang. Khẩu độ (độ mở) của bộ thu lớn sẽ giúp tập hợp được nhiều phát xạ quang vào bộ tách sóng quang. b) Bộ lọc thông dải quang – bộ lọc thông dải làm giảm lượng bức xạ nền. c) Bộ tách sóng quang – PIN hoặc APD chuyển đổi trường quang đến thành tín hiệu điện. Các bộ tách sóng quang thường được dùng trong các hệ thống truyền thông quang hiện nay được tóm tắt trong bảng 1.2. d) Mạch xử lý tín hiệu – có chức năng khuếch đại, lọc và xử lý tín hiệu để đảm bảo tính chính xác cao của dữ liệu được khôi phục. 1.2.3 Kênh vô tuyến Kênh truyền dẫn quang khác so với kênh nhiễu Gauss thông thường, tín hiệu đầu vào của kênh, x(t), thể hiện công suất chứ không phải là biên độ. Điều này dẫn tới hai điều kiện ràng buộc trên tín hiệu được truyền: i) x(t) phải không âm và ii) giá trị trung bình của x(t) không được vượt quá một giá trị quy định 5   max 1 lim , 2 T T T x t dt T      (1.1) 1.2.3.1 Tổn thất công suất Khi một bức xạ quang đi qua bầu khí quyển, một vài photon bị biến mất (hấp thụ) do các thành phần như hơi nước, khí CO 2 , sương mù, tầng Ozone… và năng lượng chuyển thành nhiệt năng trong khi đó các thành phần khác đi qua không mất mát năng lượng nhưng hướng truyền lan ban đầu của chúng bị thay đổi (tán xạ). sự lan truyền của một trường quang thông qua bầu khí quyển được mô tả bởi định luật luật Beer – Lambert. Chùm sáng còn bị trải rộng trong khi truyền do đó kích thước chùm sáng nhận được là lớn hơn so với kích thước bộ thu. 1.2.3.2 Tổn thất kênh truyền không khí a) Hấp thụ b) Tán xạ c) Ảnh hưởng của sự nhiễu loạn không - Sự nhiễu loạn không khí phụ thuộc vào i) độ cao/áp suất khí quyển; ii) vận tốc gió; iii) sự khác nhau của các chỉ số khúc xạ do sự không đồng nhất về nhiệt độ. Các ảnh hưởng của sự nhiễu loạn không khí bao gồm: Sự lệch chùm sáng; sự nhẩy ảnh; sự mở rộng của chùm sáng; sự nhấp nháy của chùm sáng; sự suy giảm tính nhất quán trong không; sự biến động phân. d) Mô hình sự nhiễu loạn không khí 1.3 Các thách thức đối với hệ thống FSO Sương mù; Sự nhấp nháy; Sự trôi búp; Giữ thẳng hướng phát-thu khi tòa nhà dao động; Sự an toàn cho mắt 6 1.4 Các ứng dụng của hệ thống FSO Truy nhập chặng cuối; Dự phòng tuyến sợi quang; Kết nối back-haul cho mạng tế bào; Các tuyến tạm thời/ khắc phục sự cố;Mạng truyền thông nhiều vùng nhỏ; Các vùng địa lý khó khăn. 7 Chương 2 KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ QUANG Chương này trình bày tổng quan về phương thức đa truy nhập phân chia theo mã quang - OCDMA. Khái niệm về hệ thống OCDMA và phân loại các hệ thống OCDMA khác nhau cũng đã được đề cập trong nội dung của chương. Nội dung cuối cùng của chương trình bày về cấu trúc và tính chất của một số các loại mã thường được sử dụng trong các hệ thống OCDMA các loại nhiễu trong hệ thống OCDMA. 2.1 Giới thiệu OCDMA là kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo mã quang, theo đó, mỗi người sử dụng sẽ được cấp một mã quang để truy nhập vào mạng thay vì khe thời gian như trong kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) hay bước sóng như trong kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo bước sóng (WDMA). OCDMA giúp nâng cao tốc độ truyền dẫn, tăng tính linh hoạt về số lượng người sử dụng và tăng tính bảo mật của hệ thống [20]. OCDMA là công nghệ tiềm năng cho phép thay thế các công nghệ hiện tại trong mạng truy nhập quang. Trong chương này, đầu tiên chúng ta sẽ xem xét các công nghệ truy nhập đang được sử dụng trong mạng quang, đặc biệt là mạng truy nhập quang thụ động (PON). Tiếp theo, chúng ta tìm hiểu về một kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (OCDMA), cách phân loại hệ thống OCDMA cũng như các loại mã hay được sử dụng trong hệ thống CDMA quang. Cuối cùng, sơ đồ và nguyên lý một hệ thống OCDMA tiêu biểu, 2-D λ-t OCDMA sẽ được giới thiệu. 2.2 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã quang Trong OCDMA, tài nguyên mạng được chia sẻ giữa người sử dụng bằng cách gán cho mỗi người một mã thay vì khe thời gian như TDMA hoặc bước sóng như WDMA. Do đó, người dùng có khả năng tiếp cận các tài nguyên cùng một 8 Bước sóng, λ Th ờ i gian, t Ngư ờ i s ử d ụ ng 1 Ngư ờ i s ử d ụ ng 3 Ngư ờ i s ử d ụ ng 2 Mã, C bước sóng, cùng một lúc, như thể hiện trong hình 2.1. OCDMA có thể thực hiện ghép kênh chuyển mạch và xen/rẽ các tín hiệu đa kênh qua mạng đường trục và mạng đô thị (MAN), hoặc kết hợp của TDM và WDM thông qua mã hóa và giải mã tín hiệu quang trực tiếp. Hình 2.1: Chia sẻ tài nguyên dựa trên kỹ thuật OCDM 2.3 Các hệ thống CDMA quang Nếu chúng ta phân loại dựa vào sự khác biệt của các phương pháp mã hóa tín hiệu quang, ta có thể chia thành ba loại hệ thống OCDMA: - Hệ thống OCDMA mã hóa trong miền thời gian, trong đó bao gồm hệ thống trải phổ truyền thống và hệ thống mã hóa pha theo thời gian. - Hệ thống OCDMA mã hóa trong miền tần số, bao gồm bước mã hóa pha phổ (SPE) và hệ thống mã hóa biên độ phổ (SEA). - Hệ thống OCDMA mã hóa lai ghép sử dụng kết hợp các phương thức mã hóa nêu trên. Ví dụ chúng ta có thể có được mã hóa 2-D bằng cách kết hợp mã hóa trong miền thời gian và miền bước sóng, hệ thống OCDMA trải thời gian/nhảy bước sóng (WH/TS). Nếu mã hóa theo không gian được kết hợp với thời gian và bước sóng ta sẽ có được mã hóa không gian/ thời gian/bước sóng. Nếu chúng ta sắp xếp chúng theo số lượng tài nguyên (thời gian, không gian, bước sóng) được sử dụng, ta có thể được chia thành các hệ thống OCDMA một [...]... không khí Những yếu tố nêu trên làm suy giảm mạnh mẽ hiệu năng của các hệ thống FSO/CDMA Trong phạm vi của luận văn, luận văn tập trung trình bày các đặc điểm chính sau:  Trình bày tổng quan công nghệ truy n thông quang không dây  Trình bày tổng quan các kỹ đa truy nhập phân chia theo mã quang  Nghiên cứu các ảnh hưởng của môi trường truy n dẫn và nhiễu tại phía thu lên hiệu năng hệ thống CDMA quang. .. chia quang Một sợi quang được sử dụng để kết nối từ phía phát đến phía thu và được chia sẻ giữa tất cả các người dùng Dữ liệu nhị Bộ mã hóa Dữ liệu nhị Bộ phục hồi dữ Máy thu #1 Sợi quang Bộ chia Bộ kết hợp Máy phát #1 Bộ giải mã Bộ mã hóa Bộ giải mã Máy phát # K Bộ phục hồi dữ Máy thu # K Hình 2.2: Sơ đồ khối của hệ thống OCDMA 2.4 Mã sử dụng trong hệ thống CDMA quang Chuỗi M; Mã Hadamard; Mã. .. lợi APD nằm trong khoảng 80 tới 100 Khi độ lợi APD lớn 22 hơn 100, nhiễu nổ của APD trở nên ảnh hưởng mạnh, do đó hiệu năng hệ thống bị giảm, BER tăng Hình 3.7: BER theo độ lợi trung bình APD ( g ) với Ps = 0 dBm, z = 2km, K = 32, và Rb = 1 Gbps 23 KẾT LUẬN Hệ thống CDMA quang không dây (FSO/CDMA) là hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã quang sử dụng phương thức truy n sóng ánh sáng qua không gian... hiệu, sự dãn xung và suy hao truy n dẫn Ngoài ra, các loại nhiễu bao gồm nhiễu nổ, nhiễu nền, nhiễu nhiệt và nhiễu đa truy nhập (MAI) cũng sẽ được tính đến trong phân tích hiệu năng Hình 3.1: Các phương pháp điều chế: 4-WSK, 4-PPM và 2-2-MWPPM 3.2 Mô hình kênh FSO 3.2.1 Mô hình kênh nhiễu loạn không khí Môi trường khí quyển không phải là một kênh truy n thông lý tưởng Sự không đồng nhất về nhiệt độ... bộ giải mã OCDMA Bộ giải mã này được điều khiển bởi bộ tạo mã Các tín hiệu thu được không chỉ bao gồm tín hiệu từ bộ phát mong muốn mà còn có cả các tín hiệu từ các bộ phát gây nhiễu, nhiễu này là nhiễu đa truy nhập (MAI) Tiếp theo, APD chuyển tín hiệu quang thu được sang dạng tín hiệu điện Dòng tách quang tỷ lệ thuận với cường độ tín hiệu thu được tại bộ thu bởi đáp ứng R (A/W) Cuối cùng, tại bộ giải. .. trị thực tế của Be phụ thuộc vào thiết kế bộ thu 2.5.2 Nhiễu đa truy nhập Nhiễu đa truy nhập (MAI) là một trong những nguồn nhiễu chính trong các hệ thống OCDMA, là nguyên nhân chính gây suy giảm chất lượng của hệ thống Như đã đề cập trong chương 1, MAI gây ra bởi các người sử dụng hoạt động đồng thời trong mạng, các xung MAI là các xung quang xuất hiện đồng thời và có cùng bước sóng với xung mong... dụng rộng rãi trong hệ thống CDMA quang Mỗi từ mã trong một tổ hợp mã, được cấu trúc từ mộ số nguyên tố (ps), có độ dài từ mã F = ps2, trọng lượng từ mã của w = ps, và tương quan chéo giữa hai mã bất kỳ λc = 2 [17] Hình 3.4 thể hiện BER của các hệ thống FSO/CDMA sử dụng M-PPM và LM-MWPPM theo công suất phát trên mỗi bit khi z = 2 km, K = 32 người sử dụng và Rb = 1 Gbps Các kết quả nghiên cứu trước đây... xạ theo tuyến truy n dẫn, mà thường được gọi là sự nhiễu loạn không khí Nó tạo ra một loạt các hiện tượng như suy hao lựa chọn tần số, hấp thụ, tán xạ và sự không ổn định (nhấp nháy) Khi chùm tín hiệu quang lan truy n qua môi trường không khí, cường độ tín hiệu quan sát được tại phía thu thay đổi một cách ngẫu nhiên Điều này được gọi là nhấp nháy, và nó cũng là nhược điểm chính của các hệ thống truy n... trưng cho hệ số truy n đạt của kênh vô tuyến (kênh fading) do đó công suất tín hiệu phát ra được nhân với hàm truy n đạt của kênh Hàm truy n đạt này là biến ngẫu nhiên gây ra sự thăng giáng cường độ tín nhiệu 17 Để giảm bớt ảnh hưởng của MAI, các loại mã có giá trị tương quan chéo nhỏ thường được sử dụng Điều này đồng nghĩa với việc cần các chuỗi mã có độ dài lớn, ví dụ mã nguyên tố Giải pháp thứ hai... biểu diễn bởi một xung quang trong khi đó chip “0” tương đương với việc không có xung quang nào được phát đi Số lượng các chip có trong một chuỗi mã bằng độ dài của từ mã được tạo ra bởi bộ tạo mã Giả sử rằng xung quang đại diện cho một chip “1” là xung Gauss có biên độ được thể hiện như công thức 3.5, công suất đỉnh của xung là Pp có thể được tính như sau: Pp  2Ts Pc  T0 (3.8) Trong đó, Pc là công . BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG NGUYỄN VĂN TIẾN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ TRONG TRUY N THÔNG QUANG KHÔNG DÂY Chuyên. luận văn nhằm đưa ra giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã quang trong truy n thông quang không dây. Kết quả cụ thể của nghiên cứu là đưa ra mô hình