Nghiên cứu tính năng hệ thống ROF sử dụng kỹ thuật OFDM

Kỹ thuật OFDM cung cấp hiệu suất phổ, khả năng chống nhiễu RF tốt nhất và độ méo đa đường thấp cho hệ thống không dây do nó sử dụng kỹ thuật FFT cho điều chế đã cung cấp tính trực giao c

Nguyễn Trần Hoàng Giang

NGHIÊN CỨU TÍNH NĂNG HỆ THỐNG ROF

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: ………

(Ghi rõ học hàm, học vị)

Phản biện 1: ……… Phản biện 2: ………

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: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

đầu cuối khả năng truy cập dịch vụ mạng băng rộng thực sự trong khi vẫn đảm bảo yêu cầu tính di động của việc truy cập đang ngày càng tăng

Trong khi đó kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) phân bổ dữ liệu qua số lượng lớn các sóng mang con được đặt cách nhau tại các tần số chính xác với các băng tần chồng lấn Kỹ thuật OFDM cung cấp hiệu suất phổ, khả năng chống nhiễu RF tốt nhất và độ méo đa đường thấp cho hệ thống không dây do nó sử dụng kỹ thuật FFT cho điều chế đã cung cấp tính trực giao cho các sóng mang con này để quá trình giải điều chế không bị xuyên nhiễu giữa các băng tần Sử dụng kỹ thuật OFDM là xu hướng hiện nay cho các mạng truy nhập vô tuyến băng rộng hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao

Do vậy việc kết hợp OFDM với truyền dẫn RoF đem lại nhiều chú ý trong nghiên cứu các hạ tầng truyền tải của mạng không dây thế hệ mới Sự kết hợp này làm hệ thống RoF có thể được sử dụng cho cả truyền dẫn khoảng cách ngắn cũng như dài tại tốc độ cao Điều này cải thiện độ linh hoạt của hệ thống và cung cấp phạm vi bao phủ rộng cho mạng

mà không tăng giá thành và độ phức tạp của hệ thống lên nhiều

Nghiên cứu đánh giá tính năng hệ thống RoF sử dụng kỹ thuật OFDM là nội dung chính của luận văn Cấu trúc luận văn như sau: Chương 1 giới thiệu tổng quan về truyền dẫn

vô tuyến qua sợi quang (Radio over Fiber) Chương 2 nghiên cứu về kỹ thuật OFDM cho hệ thống RoF Chương 3 mô phỏng hệ thống RoF sử dụng kỹ thuật OFDM, đánh giá các kết quả thu được từ mô phỏng

Do hạn chế về thời gian cũng như kiến thức bản thân, luận văn không thể tránh khỏi các khiếm khuyết Rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô, các học viên quan tâm để luận văn được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Đức Nhân đã hướng dẫn em hoàn thành luận văn này

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN QUA

SỢI QUANG (RADIO OVER FIBER)

1.1 Giới thiệu chung

Chương này bao gồm 3 phần, phần đầu tiên trình bày khái quát về các thành phần của truyền dẫn quang như sợi quang, nguồn quang (Laser), kỹ thuật điều biến quang, bộ điều biến, bộ khuếch đại quang, bộ thu quang Phần thứ hai giới thiệu một cách tổng quan lý thuyết về RoF, đặc điểm của RoF và kiến trúc mạng RoF Phần thứ ba trình bày những ứng dụng hiện nay của RoF trong các mạng WLAN, mạng di động tế bào, thông tin vệ tinh và các dịch vụ di động băng rộng

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

1.2.1 Sợi quang

Sợi quang là môi trường điện môi cho thông tin truyền qua từ điểm này tới điểm kia dưới dạng ánh sáng Với kích thước nhỏ của sợi quang cho phép nhiều sợi quang hơn trong cùng một không gian so với cáp đồng Sợi quang an toàn trong các môi trường bị ăn mòm, truyền dẫn sợi quang cũng không bị ảnh hưởng do nhiễu cảm ứng điện từ và cũng không gây ra nhiễu Có hai loại sợi quang là sợi quang có chiết suất bậc và sợi quang có chiết suất biến đổi Sợi quang chiết suất bậc có sự thay đổi chiết suất đột ngột tiếp giáp mặt vỏ - 1õi, còn sợi quang có chiết suất biến đổi có chiết suất giảm dần bên trong lõi

1.2.2 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 kiện chính 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-n phân cực thuận phát ra ánh sáng thông qua

sự phát xạ tự phát, hiện tượng này được gọi là hiện tượng quang điện ánh sáng được tạo ra khi các cặp điện tử - lỗ trống tái hợp lại với nhau ở vùng nghèo.Laser bán dẫn phát ra ánh sáng chủ yểu bởi phát xạ kích thích Phát xạ kích thích có công suất phát cao hơn phát xạ tự phát Độ mở góc của chùm sáng laser đầu ra hẹp hơn so với LED đem đến khả năng ghép nối cao hơn với sợi quang đơn mode Phố ánh sáng phát ra hẹp cho phép laser hoạt động tại tốc độ cao Ngoài ra, laser bán dẫn có thể điều chế trực tiếp tại tần số cao do hiện tượng phát

xạ kích thích có thời gian tái hợp các cặp điện 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 cao hơn so với LED

Hình 1.3 - Đặc tính điều chế của Laser

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 hiệu điện đưa vào bộ phát quang thực hiện điều biến trực tiếp thành tín hiệu quang nhờ Laser Diode hoặc LED Hình 1.3 cho thấy đặc tính điều chế của laser diode với tín hiệu điện dạng tương tự như trong hệ thống RoF 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 dạng phi tuyến bậc hai và bậc ba có thể gây

ra sự suy giảm chất lượng của hệ thống RoF

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

1.2.3 Bộ khuếch đại

Khuếch đại quang chia làm hai loại là khuếch đại toàn quang và bộ lặp quang điện Khi tín hiệu quang rất yếu không thể truyền đi xa được nữa thì sẽ được các bộ lặp thu lại và biến đổi thành tín hiệu điện, sau đó tiến hành khuếch đại, chuẩn lại thời gian, tái tạo lại dạng tín hiệu điện rồi lại biến đổi về tín hiệu quang 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 là khuếch 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 đại quang dùng nguyên 1ý phát xạ kích thích, giống phương pháp sử dụng trong laser Có hai dạng khuếch

đại quang cơ bản là khuếch đại laser bán dẫn và khuếch đại quang sợi trong đó khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Erbium được sử dụng phổ biến

1.2.4 Bộ thu quang

Vai trò của các bộ thu quang là biến đổi tín hiệu quang trở về dạng tín hiệu điện Thành phần chính trong bộ thu quang là bộ tách sóng quang, nó chuyển tín hiệu quang sang tín hiệu điện dựa trên hiệu ứng quang điện Yêu cầu đối 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 kiểu tách sóng cơ bản đó là tách sóng trực tiếp và tách sóng kết hợp (coherent)

photodiode Các điện tử giải phóng ở miền "p" sẽ vượt qua tới miền "n" và các lỗ trống

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 coherent trong diode phát quang để tạo ra tín hiệu RF Các kỹ thuật này được gọi chung là các kỹ thuật tách Heterodyne đầu xa (RHD) Trong khi sử dụng chuyển đối quang-điện Diode quang cũng hoạt động như là một bộ trộn, nó đóng 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 và trường quang của bộ dao động nội được trộn với nhau và qua photodiode chuyển thành tín hiệu RF Sơ đồ khối phía thu của kỹ thuật được mô tả trong hình 1.5 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

Hình 1.5 - Sơ đồ khối kỹ thuật tách sóng hetorodyne

1.3 Truyền dẫn vô tuyến qua sợi quang RoF

1.3.1 Tổng quan về RoF

Hình 1.6 - Mô tả truyền dẫn RoF

Truyền sóng vô tuyến trên sợi quang RoF (Radio over Fiber) là phương pháp truyền tín hiệu vô tuyến đã được điều chế trên sợi quang Hay nói cách khác RoF sử dụng các tuyến quang có độ tuyến tính cao để truyền dẫn các tín hiệu RF (analog) đến các trạm thu phát Công nghệ truyền sóng vô tuyến qua sợi quang sử dụng đường truyền sợi quang để phân phối các tín hiệu tần số vô tuyến (RF) từ các vị trí trạm trung tâm tới các khối anten đầu xa (RAUs), hình 1.6

1.3.2 Các đặc điểm của RoF

 Giảm công suất tiêu thụ

 Phân bổ tài nguyên động

b Nhược điểm

Vì RoF liên quan tới điều chế tương tự và tách sóng ánh sáng nên về cơ bản đây là một hệ thống truyền dẫn tương tự Do đó tín hiệu bị ảnh hưởng bởi nhiễu và méo, đây là hạn chế trong các hệ thống thông tin tương tự cũng như hệ thống RoF Những ảnh hưởng này có

xu hướng giới hạn dải động (DR) của các tuyến RoF

Nguồn tạp âm trong đường truyền sợi quang tương tự bao gồm tạp âm cường độ tương đối của laser (RIN), nhiễu pha laser, nhiễu nổ của bộ tách sóng quang, nhiễu nhiệt của

bộ khuếch đại Đối với méo dạng trong hệ thống RoF, một trong những thành phần méo dạng chính là do méo dạng phi tuyến của quá trình điều chế như đã đề cập trong phần 1.2.2, ngoài ra tán sắc của sợi cũng là yếu tố gây méo dạng giới hạn khoảng cách truyền dẫn của

hệ thống Trong hệ thống RoF sử dụng sợi đơn mode, tán sắc màu là thành phần chính và cũng là nguyên nhân làm tăng nhiễu pha sóng mang RF Trong hệ thống RoF sử dụng sợi đa mode, tán sắc mode là thành phần chủ yếu đóng góp vào sự méo dạng Để khắc phục các méo dạng này các kỹ thuật bù có thể được áp dụng tại bộ phát để tuyến tính hóa đặc tính

điều chế và/hoặc tại bộ thu thông qua các kỹ thuật ước tính kênh và cân bằng

1.3.3 Kiến trúc mạng RoF

Một tuyến quang sử dụng công nghệ RoF bao gồm 3 thành phần chính:

Mobile Host (MH): các thiết bị đi động trong mạng đóng vai trò là thiết bị đầu cuối Base Station (BS): có nhiệm vụ phát sóng vô tuyến nhận được từ CS đến các MH, nhận sóng vô tuyến nhận được từ MH truyền về CS BS không có chức năng xử lý tín hiệu,

nó chỉ đơn thuần biến đổi từ thành phần điện/quang và ngược lại để chuyển về hoặc nhận từ

CS BS gồm 2 thành phần là antenna và thành phần chuyển đổi quang điện ở tần số RF

Central Station (CS): là các trạm xử lý trung tâm Do kiến trúc mạng tập trung nên tất

cả các chức năng như định tuyến, cấp phát kênh,… đều được thực hiện và chia sẻ ở CS

Hình 1.7 - CS-BS-MH trong một tuyến RoF

1.4 Một số ứng dụng của kỹ thuật RoF

a Mạng tế bào

Với số lượng thuê bao di động ngừng tăng nhanh cùng với nhu cầu ngày càng lớn các dịch vụ băng rộng đã gây áp lực đòi hỏi các mạng di động phải tăng thêm dung lượng Bởi vậy, lưu lượng di động (GSM hay UMTS) có thể được truyền dẫn một cách hiệu quả giữa các CS và BS bằng cách tận dụng những lợi ích của sợi quang Các chức năng RoF khác như phân bổ dung lượng động cũng đem lại những ích lợi hoạt động đáng kể trong các mạng tế bào

b Thông tin vệ tinh

Thông tin vệ tinh là một trong ứng dụng thực tiễn của kỹ thuật RoF, liên quan đến đầu xa của antenna của các trạm mặt đất Hệ thống sử dụng các tuyến sợi quang ngắn có chiều dài nhỏ hơn 1km và hoạt động tại tần số từ 1GHz đến 15GHz Bằng cách đó, các thiết

bị tần số cao có thể được lắp đặt một cách tập trung Với việc sử dụng của kỹ thuật RoF, các anten sẽ không cần đặt trong vùng điều khiển mà chúng có thể đặt cách xa nhiều km với nhiều mục đích khác nhau Các thiết bị chuyển mạch cũng có thể được đặt ở những vị trí thích hợp mà không yêu cầu phải ở trong vùng phụ cận của các anten trạm mặt đất

d Mạng cục bộ không dây (WLAN)

Khi thiết bị di động và máy tính ngày càng trở nên mạnh mẽ, nhu cầu truy nhập băng rộng di động tới các mạng WLAN cũng tăng lên Điều này dẫn đến tần số sóng mang phải cao hơn để đáp ứng nhu cầu về dung lượng Ví dụ các mạng WLAN hiện tại hoạt động tại băng tần ISM tần số 2,4GHz và yêu cầu tốc độ cực đại 11Mbps trên mỗi sóng mang (IEEE 802.11b) Các mạng WLAN băng rộng thế hệ sau cơ bản yêu cầu đến 54Mbps trên mỗi sóng mang và cũng sẽ yêu cầu tần số sóng mang cao hơn tại băng tần 5 GHz (IEEE 802.11a) Các tần số sóng mang cao hơn dẫn đến các tế bào micro, pico và tất cả những khó khăn liên quan đến sự phủ sóng Cách đầu tư hiệu quả cho vấn đề này là triển khai kỹ thuật RoF Trước tiên, mạng WLAN băng tần 60GHz thực hiện truyền từ BS (trạm trung tâm), tần số bộ dao động ổn định tại IF cùng với dữ liệu truyền qua sợi quang Sau đó, tần số bộ dao động được sử dụng để chuyển đổi dữ liệu lên sóng mm tại bộ chuyển tiếp (RS-trạm đầu xa) Điều này dẫn đến đơn giản hóa đáng kể các bộ chuyển tiếp đầu xa và qua đó đem lại hiệu quả thiết kế các trạm gốc

1.5 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 nó trong các hệ thống: mạng tế bào, thông tin vệ tinh, mạng WLAN, mạng truyền thông cho các phương tiện giao thông,… Trong chương tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu về kỹ thuật OFDM áp dụng cho hệ thống RoF

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT OFDM CHO HỆ THỐNG ROF

2.1 Giới thiệu chung

Chương này trình bày về kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM: các nguyên lý cơ bản, các đặc điểm và ứng dụng của OFDM vào trong hệ thống RoF

2.2 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)

Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) phân chia toàn bộ băng thông cần truyền vào nhiều sóng mang con trực giao

và truyền đồng thời trên các sóng mang này Theo đó, luồng số tốc độ cao được chia thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn Vì thế có thể giảm ảnh hưởng của trễ đa đường và chuyển đổi kênh pha đinh chọn lọc thành kênh pha đinh phẳng Như vậy OFDM là một giải pháp cho tính chọn lọc của các kênh pha đinh trong miền tần số

symbol OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu

kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI

Nếu ký hiệu các sóng mang con được dùng trong hệ thống OFDM là si(t) và sj(t) Để đảm bảo trực giao cho OFDM, các hàm sin của sóng mang con phải thỏa mãn điều kiện sau:

   2 , 1, 2,

j k ft k

2.3.1 Mô tình toán học của tín hiệu OFDM

Tín hiệu OFDM phát trong băng tần cơ sở được xác định như sau:

1 2 , 2 ,

T là độ dài ký hiệu OFDM

TFFT là thời gian FFT, phần hiệu dụng của ký hiệu OFDM

TG là thời gian bảo vệ, thời gian của tiền tố chu trình

Twin là thời gian mở cửa tiền tố và hậu tố để tạo dạng phổ

f=1/TFFT là phân cách tần số giữa hai sóng mang

FFT win

FFT

FFT G

G G

win win

G

TT

tT

,TT

tπcos12

1

TtT1,

TtTT

,TTtπcos12

1

t

w

(2.5) Tín hiệu đầu ra của bộ điều chế RF được xác định như sau:

Hình 2.2 - Sơ đồ truyền dẫn OFDM trong miền RF

Tồn tại hai sơ đồ điều chế trong hệ thống vô tuyến dùng điều chế OFDM: Điều chế OFDM bằng kỹ thuật xử lý tín hiệu số, là loại điều chế tín hiệu trong băng tần gốc và điều chế vô tuyến RF để đưa toàn bộ phổ tần của tín hiệu băng tần gốc OFDM lên vùng tần số vô tuyến RF Ở đây ta sẽ nghiên cứu sơ đồ điều chế OFDM trong miền RF

a Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song và ngược lại

Tầng này chuyển luồng bit đầu vào thành dữ liệu phát trong mỗi ký hiệu OFDM Việc phân bổ dữ liệu phát vào mỗi ký hiệu phụ thuộc vào phương pháp điều chế được dùng

và số lượng sóng mang con Tại phía thu chuyển ngược về luồng dữ liệu nối tiếp ban đầu

b Tầng điều chế sóng mang con

Tầng điều chế sóng mang con thực hiện phân bổ các bit dữ liệu người dùng lên các sóng mang con, bằng cách sử dụng sơ đồ điều chế (phần 2.4)

c Tầng chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian IFFT

Sau tầng điều chế sóng mang con, tín hiệu OFDM có dạng là các mẫu tần số Phép biến đổi IFFT chuyển tín hiệu OFDM trong miền tần số sang miền thời gian Tương ứng với mỗi mẫu của tín hiệu OFDM trong miền thời gian (mỗi đầu ra của IFFT) chứa tất cả các mẫu trong miền tần số (đầu vào của IFFT) Hầu hết các sóng mang con đều mang dữ liệu Các sóng mang con vùng ngoài không mang dữ liệu được đặt bằng 0

d Chèn/ loại bỏ khoảng bảo vệ