Công nghệ MMW rof và khả năng ứng dụng cho mạng fronthaul 5g TT

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - BOUASONE KHAMBOUAVONG CÔNG NGHỆ MMW ROF VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CHO MẠNG FRONTHAUL 5G Chuyên ngành : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Mã số : 8520208 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2022 Luận văn hoàn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: TS Phạm Anh Thư Phản biện 1: Phản biện 2: Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: ….h… ngày … tháng …… năm 2022 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết đề tài Ngày với việc phát triển bùng nổ công nghệ thông tin thông tin di động, yêu cầu cải thiện mặt công nghệ băng thông mạng fronthaul 5G ngày lớn hơn, đặc biệt nhà mạng di động phát triển, thử nghiệm 5G với tốc độ cực cao đồng thời ngày nhiều ứng dụng triển khai di động Để đáp ứng yêu cầu ngày cao công nghệ 5G, mạng fronthaul 5G hệ cần có dung lượng lớn, có khả cung cấp băng thơng linh hoạt, cải thiện tầm với có khả bảo mật cao Do vậy, việc nghiên cứu, tìm hiểu đánh giá hiệu giải pháp mạng fronthaul 5G dung lượng lớn tương lai có khả đáp ứng tốt nhu cầu mạng 5G quan trọng cần thiết việc nắm bắt làm chủ công nghệ tương lai gần Cho đến nay, môi trường truyền dẫn cho mạng fronthaul 5G thường cáp quang ưu điểm vốn có cáp quang suy hao nhỏ, dung lượng lớn, trễ thấp, Một số công nghệ sử dụng cho mạng fronthaul 5G gồm WDM/OTN, WDM/PON, hay IP quang Mặc dù công nghệ cung cấp dung lượng cao trễ thấp cho mạng fronthaul 5G, cơng nghệ có chi phí lắp đặt cao không đáp ứng khả linh hoạt di động hệ thống Trong nhiều tình chẳng hạn sau xảy thiên tai lớn sợi bị đứt cố, dịch vụ bị gián đoạn bị chậm trễ Khi đó, sử dụng sóng vơ tuyến giải pháp tốt Tuy nhiên, để cung cấp băng thơng lớn sóng milimet cần sử dụng Bên cạnh việc mang lại tốc độ cao độ khả dụng băng tần chưa khai thác lớn, phổ tần sóng milimet cịn mang lại nhiều tiềm khác cho phép mật độ dày đặc mạng liên kết truyền thông từ khoảng cách ngắn đến khoảng cách trung bình, tích hợp phần tử phát xạ hiệu suất cao phạm vi milimet, tạo hệ thống tích hợp nhỏ gọn, thích nghi di động Tuy nhiên, phạm vi truyền dẫn bị hạn chế dải tần sóng millimet bị suy hao lớn khơng gian tự Bởi điều này, hội tụ sợi quang với hệ thống MMW mang đến mạng fronthaul với dung lượng lớn, linh hoạt, hiệu mặt chi phí, đáp ứng yêu cầu mạng fronthaul 5G tương lai Ngoài ra, thực tế, việc sử dụng sợi quang cho mạng fronthaul 5G tới trạm thu phát gốc khơng linh hoạt, địi hỏi chi phí cao khơng phải lúc triển khai được, ví dụ khu thị với mật độ xây dựng cao, nơi địa hình hiểm trở qua sơng hay qua núi Chính thế, để tiết kiệm chi phí, tăng tính linh hoạt khả mở rộng cho mạng fronthaul 5G, việc triển khai hệ thống truyền dẫn lai ghép MMW-RoF sử dụng đường truyền dẫn quang RoF đường truyền dẫn vô tuyến MMW cho mạng fronthaul 5G quan tâm nghiên cứu triển khai Như với việc nhận thấy xu hướng nghiên cứu phát triển Công nghệ MMW RoF khả ứng dụng cho mạng fronthaul 5G, ý nghĩa quan trọng hệ thống này, kết hợp với tài liệu, kiến thức em tìm hiểu được, xuất phát từ vấn đề trên, em lựa chọn đề tài “Công nghệ MMW RoF khả ứng dụng cho mạng fronthaul 5G” làm nội dung nghiên cứu cho luận văn tốt nghiệp Tổng quan vấn đề nghiên cứu So với kiến trúc 4G, kiến trúc mạng truy nhập vơ tuyến 5G có khác biệt Trạm gốc 4G thường bao gồm BBU chịu trách nhiệm điều chế tín hiệu, RRU chịu trách nhiệm xử lý tín hiệu RF, phần kết nối RRU anten anten chịu trách nhiệm chuyển đổi sóng dẫn cáp sóng khơng gian khơng khí Trong mạng 5G, mạng truy cập khơng cịn bao gồm BBU, RRU anten Thay vào đó, cấu trúc lại thành ba thực thể chức năng: khối đơn vị tập trung (CU), khối đơn vị phân phối (DU) khối đơn vị anten hoạt động (AAU) CU chịu trách nhiệm xử lý giao thức dịch vụ không theo thời gian thực DU chịu trách nhiệm xử lý giao thức lớp vật lý dịch vụ thời gian thực AAU thực phần chức xử lý lớp vật lý BBU hợp với RRU ban đầu anten thụ động thành AAU Theo tiêu chuẩn đề xuất 5G, CU, DU AAU tách rời đặt vị trí, có nhiều hình thức triển khai mạng, chia thành phần mạng Fronthaul kết nối AAU với DU, Middlethaul kết nối DU với CU, Fronthaul kết nối từ CU đến phần mạng lõi Như đề cập trên, môi trường truyền dẫn cho mạng fronthaul 5G thường cáp quang ưu điểm vốn có cáp quang suy hao nhỏ, dung lượng lớn, trễ thấp, Một số công nghệ sử dụng cho mạng fronthaul 5G gồm WDM/OTN, WDM/PON, hay IP quang Sự hội tụ sợi quang với hệ thống MMW mang đến mạng fronthaul với dung lượng lớn, linh hoạt, hiệu mặt chi phí, đáp ứng yêu cầu mạng fronthaul 5G tương lai 3 Cơng nghệ truyền tín hiệu vơ tuyến băng tần milimet qua sợi quang (MMW RoF) cơng nghệ truyền thơng tích hợp mạng quang mạng vô tuyến sử dụng dải tần milimet Hệ thống MMW RoF sử dụng sóng MMW kết hợp với cơng nghệ truyền tín hiệu vơ tuyến qua sợi quang (RoF) kết hợp ưu điểm sợi quang ưu điểm tần số sóng milimet Giải pháp mạng fronthaul 5G sử dụng hệ thống truyền dẫn lai ghép MMW-RoF cho phép tiết kiệm chi phí, tăng tính linh hoạt khả mở rộng Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu cơng nghệ MMW RoF - Nghiên cứu khả ứng dụng hệ thống MMW RoF mạng fronthaul 5G Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: công nghệ MMW RoF - Phạm vi nghiên cứu: Ứng dụng hệ thống MMW RoF cho mạng fronthaul 5G Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu tìm hiểu lý thuyết, thu thập tài liệu liên quan đến vấn đề nghiên cứu; sở phân tích tổng hợp để nghiên cứu công nghệ khả ứng dụng hệ thống MMW RoF mạng fronthaul 5G 4 CHƯƠNG 1: CƠNG NGHỆ TRUYỀN SĨNG VƠ TUYẾN Ở BĂNG TẦN MILIMET QUA SỢI QUANG 1.1 Tổng quan hệ thống MMW RoF Công nghệ Radio-over-Fiber hay RoF kết hợp công nghệ vô tuyến công nghệ truyền tải quang giải pháp tiềm năng, phục vụ nâng cao dung lượng mạng tính di động, đồng thời giảm chi phí mạng truy nhập Ý tưởng công nghệ RoF truyền thông tin qua sợi quang cách điều chế ánh sáng tín hiệu vơ tuyến Q trình điều chế thực cách điều chế trực tiếp với tín hiệu vô tuyến cao tần RF sử dụng trung tần IF Hình 1.1: Tần số bước sóng mm so với tần số sử dụng Theo nghiên cứu Bose, cơng nghệ millimet cịn hạn chế phạm vi phịng thí nghiệm trường đại học gần nửa kỷ Công nghệ bắt đầu nhìn nhận ứng dụng đài thiên văn vào năm 1960, ứng dụng quân đội năm 70 Trong năm 80, phát triển sóng millimet tích hợp vào mạch tạo hội cho sản xuất hàng loạt sản phẩm sử dụng bước sóng millimet cho ứng dụng thương mại Đến năm 1990, đời radar tránh va chạm tự động tần số 77 GHz đánh dấu sản phẩm sử dụng tần số sóng millimet 40 GHz Đến năm 1995, FCC (US Federal Comunications Commission) mở rộng phổ tần 59 64 GHz cho truyền thông băng rộng thiết bị radar cho ứng dụng thương mại Năm 2003, FCC cho phép sử dụng băng tần 71-76 GHz 81-86 GHz cho truyền thông điểm – điểm, tạo hội phát triển cho ngành công nghiệp phát triển sản phẩm dịch vụ hoạt động dải băng tần Truyền sóng vơ tuyến qua sợi quang MMW RoF (Millimeter- Wave Radio over fiber) phương pháp truyền tín hiệu vơ tuyến điều chế qua sợi quang băng tần sóng milimet Hay nói cách khác MMW RoF sử dụng tuyến quang có độ tuyến tính cao để truyền dẫn tín hiệu RF (analog) đến trạm thu phát Cơng nghệ truyền sóng vơ tuyến qua sợi quang sử dụng đường truyền sợi quang để phân phối tín hiệu tần số vơ tuyến (RF) từ vị trí trạm trung tâm (CS) đến khối anten đầu xa (RAUs), hình 1.2: Hình 1.2: Mô tả truyền dẫn MMW RoF Giải pháp công nghệ MMW RoF giúp trạm BS/RAU (RAU BS có chức phát sóng) đơn giản hóa đáng kể, chúng cịn chức chuyển đổi quang-điện khuếch đại Việc tập trung chức xử lý tín hiệu RF cho phép chia sẻ thiết bị, phân bố động tài nguyên đơn giản hóa vận hành, bảo dưỡng hệ thống 1.2 Cấu trúc hệ thống MMW RoF Cấu trúc chung hệ thống MMW RoF mơ tả hình 1.3 bao gồm bốn thành phần phân hệ trạm trung tâm (CS), phân hệ mạng quang phân phối (ODN), phân hệ trạm sở (BS), kênh vô tuyến từ BS đến thiết bị đầu cuối (MT) Hình 1.3: Cấu hình chung tuyến MMW RoF 1.2.1 Phân hệ trung tâm CO Phân hệ CO hệ thống MMW-RoF đảm nhiệm chức xử lý liệu tạo tín hiệu quang đường xuống Việc tạo tín hiệu quang bao gồm hai q trình tạo sóng mang điều chế liệu đường xuống Hai q trình thực đồng thời thực cách tách biệt Có nhiều kỹ thuật đề xuất năm gần để thực chức dựa phương pháp tiếp cận khác Hình 1.4: Sơ đồ khối hệ thống MMW-RoF Trong điều chế ngoài, trình điều chế quang thực điều chế riêng biệt Trong đó, nguồn LD (Laser Diode) phát công suất quang liên tục (Continuous wave – CW) đưa đến đầu vào điều chế, tín hiệu điều chế sử dụng để điều khiển hoạt động điều chế 1.2.2 Phân hệ mạng truyền tải quang ODN Thành phần chủ yếu ODN cáp sợi quang có khuếch đại quang Trong năm gần đây, loạt thiết kế sợi quang thử nghiệm cho hệ thống RoF, có số loại quan trọng sợi quang đơn mode (SMF), sợi quang đa mode (Multi-Mode Fiber - MMF), sợi quang polyme (Polymer optical fibre POF) Sợi quang lựa chọn cho hệ thống RoF phụ thuộc vào đặc tính mạng nguồn lực sẵn có SMF loại sợi phù hợp cho ứng dụng nhà [2] trời (khoảng cách lớn), để truyền tín hiệu sóng MMW chất lượng cao Tuy nhiên, triển khai SMF, chi phí lắp đặt vấn đề lớn Do đó, số nhóm nghiên cứu đề xuất phương pháp tiên tiến để thiết kế hệ thống RoF sử dụng sợi quang giá thành thấp 1.2.3 Phân hệ BS Mục tiêu kiến trúc sử dụng MMW-RoF để có BS/RAU (Radio Access Unit) đơn giản tốt Đơn giản BS đóng vai trị chuyển đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện, sau chuyển tới anten phát ngược lại, chuyển tín hiệu điện thu từ anten thu sang tín hiệu quang truyền CO qua sợi quang Như vậy, phân hệ BS cho đường xuống gồm thành phần tách sóng quang, lọc khuếch đại 7 Đối với đường lên, cấu hình BS sử dụng laser khơng sử dụng laser Khi sử dụng laser BS, phương pháp điều chế trực tiếp điều chế ngồi sử dụng 1.3 Ứng dụng công nghệ MMW RoF Ứng dụng mạng tế bào hệ Kết nối fronthaul cho hệ thống thông tin di dộng Mạng WLAN Mạng giao thông RVC Mạng truy nhập vô tuyến ngoại ô nông thôn sử dụng RoF Đường dự phòng, đường truyền tạm thời, khắc phục thảm họa Truyền thơng địa điểm khó lắp đặt sợi quang 1.4 Các yếu tố ảnh hương lên hiệu hệ thống MMW-RoF Hệ thống MMW-RoF hệ thống truyền thông lai ghép thông tin sợi quang thơng tin vơ tuyến, chịu ảnh hưởng hai môi trường Giới hạn hệ thống MMW-RoF chịu ảnh hưởng nhiễu méo liên kết truyền dẫn quang gây Ngồi ra, hệ thống cịn chịu tác động môi trường vô tuyến suy hao fading Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu hệ thống MMW-RoF hình 1.5 Hình 1.5: Các yếu tố ảnh hương đến hiệu hệ thống MMW-RoF 1.5 Kết luận chương Với phát triển không ngừng công nghệ 5G, mạng fronthaul phục vụ cho cơng nghệ địi hỏi thay đổi nhanh chóng tương lai Ngồi ra, mạng fronthaul 5G gặp phải nhữn thách thức lớn mật độ cơng suất cao, dịch vụ ảo hóa mạng, tính bảo mật cao,… Do địi hỏi cấp bách phải xây dựng mạng fronthaul 5G đáp ứng yêu cầu thực tiễn, phải áp dụng công nghệ tiên tiến, đại để thỏa mãn nhu cầu hệ mạng tương lai 8 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG FRONTHAUL 5G 2.1 Tổng quan mạng 5G Trong năm gần đây, phát triển mạng di động 5G trở thành trọng tâm ngành 5G thâm nhập vào hầu hết lĩnh vực xã hội tương lai Khi kịch ứng dụng dần trở nên rõ ràng, việc phát triển tiêu chuẩn tăng tốc, đột phá liên tục thực công nghệ nghiên cứu phát triển Việc sử dụng thương mại Mạng 5G mắt 5G không dây xây dựng mạng lưới đòi hỏi hỗ trợ hợp tác mạng lưới mang để đáp ứng yêu cầu kịch ứng dụng 5G chìa khóa khả tiếp tục phát triển phát triển Phát triển 5G mang đến thách thức mạng mang 5G có thơng số kỹ thuật khơng dây rộng sử dụng MIMO lớn, QAM bậc cao công nghệ cải thiện băng thông giao diện không khí Với băng tần cao, băng thơng cho 5G mạng chí đạt hàng chục Gbps So với mạng 4G, băng thông cao người dùng băng thông trải nghiệm mạng 5G gấp 10 lần cao dịch vụ eMBB bao gồm video HD VR /AR cung cấp dễ dàng Tuy nhiên, 5G yêu cầu Băng thông cao 10 lần mạng mang Các mạng 5G có yêu cầu tần số đồng hóa mạng LTE Tuy nhiên, mạng 5G đưa yêu cầu cao thời gian đồng hóa So với +/- 1,5 micro giây yêu cầu mạng LTE, đồng hóa thời gian độ xác yêu cầu mạng 5G cải thiện nhiều hơn bậc độ lớn Mạng 5G phải hỗ trợ đồng hóa thời gian xác cao Dựa xu hướng nay, mạng di động 5G cần phải giải sáu thách thức sau: công suất, tốc độ liệu cao hơn, độ trễ E2E thấp hơn, khả kết nối thiết bị lớn, giảm chi phí vận hành vốn, tăng tính quán liệu QoE Những thách thức nêu với số khả để giải chúng 2.2 Mạng fronthaul cho 5G 2.2.1 Kiến trúc mạng fronthaul 5G So với kiến trúc 4G, kiến trúc mạng truy nhập vơ tuyến 5G có khác biệt (hình 2.1) Trạm gốc 4G thường bao gồm BBU chịu trách nhiệm điều chế tín hiệu, RRU chịu trách nhiệm xử lý tín hiệu RF, phần kết nối RRU anten anten chịu trách nhiệm chuyển đổi sóng dẫn cáp sóng khơng gian khơng khí Trong mạng 5G, mạng truy cập khơng cịn bao gồm BBU, RRU anten Thay vào đó, cấu trúc lại thành ba thực thể chức năng: khối đơn vị tập trung (CU), khối đơn vị phân phối (DU) khối đơn vị anten hoạt động (AAU) 2.2.2 Các công nghệ sử dụng cho mạng fronthaul 5G Sử dụng cáp sợi quang cho mạng fronthaul 5G Hình 2.2 Sử dụng cáp sợi quang cho kết nối fronthaul 5G Sử dụng cơng nghệ WDM thụ động Hình 2.3 Sử dụng công nghệ WDM thụ động cho kết nối fronthaul 5G Sử dụng công nghệ P2MP WDM thụ động 10 Trong bối cảnh nguồn tài nguyên cáp quang đường trục thiếu hụt, sơ đồ WDM thụ động với điểm tới đa điểm (P2MP) hội tụ lưu lượng nhiều trạm gốc thành DU, gọi One Fiber N Sites (Trạm gốc), triển khai Hình 2.4 Sử dụng cơng nghệ P2MP WDM thụ động cho kết nối fronthaul 5G 2.3 Những thách thức mạng fronthaul 5G 2.3.1 Mật độ công suất cao Việc tăng mật độ công suất cao mạng 5G hồn tồn hợp lý với phát triển công nghệ thông tin thiết bị di động sử dụng mạng 5G tương lai tăng lên nhanh chóng mật độ cơng suất tăng cao (công suất yêu cầu cho khu vực định) Dự kiến tương lai gấp 1000 lần so với công suất mạng 4G mạng 4,5G Hiệu rõ ràng gia tăng tăng công suất cell mạng truy nhập vô tuyến RAN lớp fronthaul Tuy nhiên khả tăng dung lượng gấp 1000 lần site không khả thi di chuyển tần suất cao mạng RAN cần có vùng phủ sóng nhỏ cho cell, thiết bị điện thoại di động trở lên dày đặc 2.3.2 Lưu lượng phức tạp phân bố không đồng Hiện việc dịch chuyển từ liệu thông thường sang liệu gói IP phát triển tất yếu, kèm với việc quản lý lưu lượng ngày phức tạp Ngoài hành vi người dùng liệu yêu cầu riêng luồng liệu khác đã tạo thêm phức tạp việc quản lý lưu lượng đầu cuối đến đầu cuối mạng 2.3.3 Dịch vụ ảo hóa mạng Hệ thống mạng fronthaul khơng dây tích hợp, thông qua giao diện mở, với sở hạ tầng SDN NFV cuối cho phép ứng dụng SDN đạt tối ưu hóa tài 11 nguyên mạng (quang phổ, công suất), dịch vụ sẵn sàng cao nhanh với chế định tuyến lại thông minh Tất điều áp dụng lĩnh vực truyền dẫn không dây, môi trường đa miền, đa nhà cung cấp (giả định liên kết nhà cung cấp với giao diện ứng dụng tiêu chuẩn) 2.3.4 Yêu cầu tốc độ cao linh động Những thách thức kỹ thuật chi phí phổ tần số cao mang lại Dưới 6G, khó để có phổ tần số sẵn có * 200M phổ sóng milimet cuối phải sử dụng (trên 24GHz) Một số lượng lớn trạm gốc nhỏ với vùng phủ sóng nhỏ, cải thiện đáng kể cách theo dõi đa không dây, định dạng chùm tia quét nhanh, liệu lỗ hổng xóa bỏ? Thiết bị tần số cao thiết bị ngắnđến Bộ khuếch đại công suất cao cần chuyển đổi sang GaN Giá bao nhiêu? Bộ lọc SAW / BAW khơng thích ứng? FBAR? Bộ lọc mới? Các thiết bị quang học tốc độ cao chi phí lớn fronthaul, chủ yếu laser điều chỉnh 2.3.5 Các vấn đề khác Những lợi ích mạng 5G mang lại lớn Mặc dù vậy, số vấn đề cần phải giải trước công nghệ 5G trở thành thực Đó sẵn sàng băng tần thách thức mặt công nghệ, chẳng hạn làm để tạo kiến trúc mạng gia tăng lượng liệu truyền tải cao tốc độ truyền tải liệu cần thiết để chứa nhiều người dùng hệ thống mạng Bên cạnh đó, việc hỗ trợ đa dạng nhiều tảng thiết bị, dịch vụ ứng dụng sử dụng băng tần khác thách thức chờ đón 5G Mạng di động tương lai trở thành mạng “Internet” khơng kết nối người với người mà cịn người với máy móc, thiết bị Vì chúng cần phải đáp ứng yếu tố quan trọng QoS, tính bảo mật độ tin cậy 2.4 Kết luận chương Chương tổng quan mạng 5G mạng fronthaul cho 5G tăng tốc độ cho đầu cuối, tăng lưu lượng, loại thiết bị, dịch vụ, kiến trúc Những thách thức mạng fronthaul 5G mật độ công suất cao hơn, lưu lượng phức tạp phân bố không đồng đều, lưu lượng phức tạp phân bố không đồng đều, vấn đề khác từ làm sở để đánh giá khả ứng dụng hệ thống MMW-RoF mạng fronthaul 5G 12 CHƯƠNG 3: KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG HỆ THỐNG MMW ROF TRONG MẠNG FRONTHAUL 5G 3.1 Giới thiệu chung Như đề cập trên, môi trường truyền dẫn cho mạng fronthaul 5G thường cáp quang ưu điểm vốn có cáp quang suy hao nhỏ, dung lượng lớn, trễ thấp, Một số công nghệ sử dụng cho mạng backhaul 5G gồm WDM/OTN, WDM/PON, hay IP quang Sự hội tụ sợi quang với hệ thống MMW mang đến mạng fronthaul với dung lượng lớn, linh hoạt, hiệu mặt chi phí, đáp ứng yêu cầu mạng fronthaul 5G tương lai Công nghệ truyền tín hiệu vơ tuyến băng tần milimet qua sợi quang (MMW RoF) công nghệ truyền thông tích hợp mạng quang mạng vơ tuyến sử dụng dải tần milimet, cho phép có khả tránh nhiễu giao thoa đáp ứng yêu cầu mạng truy nhập băng rộng Hệ thống MMW RoF sử dụng sóng MMW kết hợp với cơng nghệ truyền tín hiệu vơ tuyến qua sợi quang (RoF) kết hợp ưu điểm sợi quang ưu điểm tần số sóng milimet Do đó, hệ thống có đặc điểm kiến trúc mạng tập trung cho phép khả cấu hình tài ngun cấp băng thơng động cho phép sử dụng băng thông hiệu hơn, băng thông lớn cho phép tốc độ truyền tải thông tin cao Giải pháp mạng fronthaul 5G sử dụng hệ thống truyền dẫn lai ghép MMW-RoF cho phép tiết kiệm chi phí, tăng tính linh hoạt khả mở rộng Để đánh giá tính khả thi cơng nghệ MMW RoF khả ứng dụng cho mạng fronthaul 5G này, đánh giá cách toàn diện hệ thống cần thiết 3.2 Mơ hình hệ thống fronthaul đường xuống sử dụng cơng nghệ MMW/RoF Hình 3.1 mơ tả kiến trúc điển hình mạng fronthaul 5G băng thơng rộng dựa cơng nghệ MMW-RoF Tín hiệu từ DU chuyển qua sợi quang tới trạm trung chuyển sau truyền tới phân hệ AAU qua kênh vô tuyến (băng tần MMW) Cụ thể là, hai sóng mang quang ( f1 f ) kết hợp ghép quang (OC), sau điều chế với tín hiệu OFDM điều chế MZM (Mach Zehnder Modulator) Tín hiệu quang điều chế truyền qua sợi quang tới trạm trung chuyển, tín hiệu nhận đưa đến tách sóng APD để biến đổi thành tín hiệu điện 13 Hình 3.1 Kiến trúc xuống mạng fronthaul 5G sử dụng công nghệ MMW RoF 3.3 Phân tích hiệu hệ thống Trước tiên, tỉ số tín hiệu tạp âm SNR tỉ số SDR (signal-to-distortion ratio) tính tốn Sau đó, tỉ số SNDR (signal-to-noise and distortion ratio) mô tả ảnh hưởng nhiễu méo xem xét, xác định sau [9] 1   SNDR SNR SDR (3.1) Tiếp theo, tỉ số lỗi bit BER mô tả hàm tỉ số SNDR cho trường hợp liệu tín hiệu QPSK sau [10] BER  Trong đó,  SNDR  erfc   2    erfc(.) (3.2) hàm bù lỗi Cuối cùng, BER đánh giá ảnh hưởng kênh vô tuyến hai mơ hình kênh Rayleigh Ricean 3.3.1 Ảnh hưởng nhiễu méo Trong kiến trúc đề xuất hình 3-1, sóng mang từ hai laser mơ tả sau: x1 (t )  E1 exp j (1t  1 ) x2 (t )  E2 exp j (2t  2 ), (3.3) Trong E1, E2, 1, 2, 1, 2 biên độ, tần số góc, pha tín hiệu từ hai laser Hai tần số quang hai LD phải thỏa mãn yêu cầu mong muốn Để đơn giản cho q trình phân tích, giả sử  f1  f  E1  E2  Ps tần số millimet , Ps cơng suất tín hiệu laser Các tín hiệu quang sau ghép OC tín hiệu liệu điều chế MZM với số điều chế m (giả sử MZM hoạt động dải tuyến tính), tạo tín hiệu sau E  t    Ps (cos 1t  cos 2t )  1  mS  t   , (3.4) 14 Trong đó, Ps cơng suất phát CO, S(t) tín hiệu liệu QPSK Giả sử xét đến suy hao tán sắc sợi quang, tín hiệu quang thu trạm trung chuyển biểu diễn sau: Er (t )  Pr (cos 1t  cos 2t )   mS (t )  , (3.5) Trong Pr cơng suất tín hiệu quang thu Trong trường hợp này, Pr  Ps exp( L) h CD ,  hệ số suy hao sợi quang L khoảng cách DU trạm trung chuyển hCD suy giảm cơng suất tín hiệu gây tán sắc sợi quang, mô tả [9] hCD  exp  2m   , (3.6) Trong m độ rộng phổ tồn phần nửa cực đại phổ công suất tín hiệu laser,  sai lệch trễ truyền dẫn hai sóng mang quang tán sắc sắc thể gây ra, biểu diễn sau   DL 2 fc c , (3.7) Trong đó, D hệ số tán sắc sợi quang; c vận tốc ánh sáng chân khơng;  bước sóng f c độ lệch tần số (trong trường hợp tần số băng tần milimet) Do đó, dịng quang điện (photocurrent) sau APD tính cách sử dụng luật bình phương sau I  t   M Er  t   MPr  cos  1t   cos  2 t   cos  1t  cos  2t   1  mS  t   2    MPr 1  cos  21t   cos  22t   cos  1  2  t  cos  1  2  t  1  mS  t   ,   (3.8) Trong đó,  đáp ứng M hệ số nhân APD Như phương trình (8), thành phần cuối cùng, cos(1  2 )t , tín hiệu băng tần milimet, thành phần tách biệt cách sử dụng lọc băng dải Do đó, dịng tín hiệu băng tần milimet biểu diễn sau I mmw  t   MPr cos  1  2  t  1  mS  t   (3.9) Trong kiến trúc đề xuất (hình 3-1), tín hiệu sau APD khuếch đại, chuyển tới anten truyền tới RRH qua kênh vơ tuyến MMW Tại AAU, tín hiệu nhận được 15 khuếch đại khuếch đại tạp âm thấp LNA chuyển trực tiếp đến trộn để trộn với tín hiệu từ dao động nội có tần số f mm 3.3.2 Ảnh hưởng kênh vơ tuyến Mơ hình kênh mmw LOS Đối với kênh vơ tuyến LOS, truyền thơng tầm nhìn thẳng anten có hướng có hệ số khuếch đại cao yêu cầu [15, 16] Bên cạnh đó, kịch trời, anten thường gắn nhà cột cao Do vậy, kênh truyền coi mơi trường truyền khơng gian tự Chính vậy, liên kết vơ tuyến mmw chịu ảnh hưởng suy hao đường truyền, hấp thụ khí quyển, suy hao mưa [12, 15-19] Mơ hình kênh mmw NLOS Đối với mơ hình kênh vơ tuyến NLOS, kênh mơ hình hóa phân bố Rayleigh Kênh Rayleigh sử dụng để mô tả ảnh hưởng fading mơi trường truyền sóng vơ tuyến khơng có đường truyền trực tiếp anten phát anten thu Trong kênh fading này, tỉ số SNDR tức thời bit (  ) biến ngẫu nhiên không thay đổi theo thời gian với hàm phân bố mật độ xác suất (PDF) 3.4 Đánh giá nhận xét Tỉ số lỗi bít hệ thống khảo sát thay đổi số điều chế với hai giá trị công suất phát khác nhau, điều kiện hệ thống sử dụng sợi quang đơn mode chuẩn với hệ số tán sắc D = 17 ps/(nn.km) Như hình, số điều chế lớn BER đạt đến giá trị tối thiểu với trường hợp LOS Tuy nhiên, với trường hợp NLOS, số điều chế lớn BER khơng giảm thêm, chí cịn tăng lên Hình 3-2 giá trị tối ưu số điều chế phụ thuộc vào công suất phát 16 Hình 3.1: BER phụ thuộc vào số điều chế với L = 10 km, d = 500 m Hình 3.2: BER phụ thuộc vào độ dài sợi quang với Ps = dBm, d = 500 m, m = 0.45 Tiếp theo, hình 3-3, BER hệ thống khảo sát phụ thuộc vào khoảng cách sợi quang cho hai mơ hình kênh vơ tuyến LOS NLOS Ngồi ra, BER phân tích với kiểu sợi quang khác nhau, gồm sợi không dịch tán sắc NDSF (non-dispersionshifted fiber) với D = 17 ps/(nn.km), sợi dịch tán sắc NZ-DSF (non-zero dispersion-shifted fiber) với D = ps/(nn.km), sợi dịch tán sắc băng rộng WNZ-DSF (wideband NZ-DSF) với D = ps/(nn.km) Như hình vẽ, cách sử dụng sợi dịch tán sắc NZ-DSF hay WNZ-DSF, BER cải thiện kéo dài độ dài DU AAU 17 mơ hình kênh LOS Tuy nhiên, mơ hình kênh NLOS, BER hệ thống khơng cải thiện kể giảm độ dài sợi quang Cuối cùng, hình 3-4, ảnh hưởng fading khảo sát mơ hình kênh LOS NLOS trường hợp sử dụng sợi quang chuẩn không dịch tán sắc với hai giá trị tần số khác Như hình, ảnh hưởng fading tăng lên khoảng cách vô tuyến tần số vơ tuyến tăng lên Bên cạnh đó, fading đa đường làm suy giảm hiệu hệ thống cách nghiêm trọng, làm cho BER mức lớn 10-3, chí trường hợp khoảng cách vơ tuyến ngắn Hình 3.3: BER phụ thuộc vào khoảng cách vơ tuyến với L = 10 km, Ps = dBm, m = 0.45 3.5 Kết luận chương Chương đề xuất mơ hình mạng fronthaul 5G sử dụng cơng nghệ MMW RoF phân tích hiệu mơ hình ảnh hưởng khơng nhiễu méo phi tuyến mà ảnh hưởng tán sắc sợi quang fading kênh vô tuyến Các kết méo phi tuyến, tán sắc sợi quang, fading yếu tố ảnh hưởng đến hiệu hệ thống Bằng cách thiết lập giá trị tham số số điều chế thích hợp, ảnh hưởng méo phi tuyến giảm cách đáng kể Ngoài ra, sợi dịch tán sắc sử dụng để giảm bớt ảnh hưởng tán sắc BER cải thiện KẾT LUẬN Công nghệ thông tin thông tin di động nhân tố then chốt cho cách mạng công nghệ số 4.0 diễn tương lai gần Đối với thông tin di động, mạng 5G chắn đưa vào sử dụng khoảng đến 10 năm tới Nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ 5G, mạng fronthaul 5G thay đổi áp dụng công nghệ đại thời gian tới Do vậy, việc nghiên cứu, tìm hiểu đánh giá hiệu giải pháp mạng fronthaul di động dung lượng lớn tương lai có khả đáp ứng tốt nhu cầu mạng 5G quan trọng cần thiết việc nắm bắt làm chủ công nghệ tương lai gần Hiện hai công nghệ sử dụng mạng lõi hệ thống thông tin di động TWDM-PON RoF đánh giá hai cơng nghệ có nhiều ưu điểm vượt trội Việc đưa giải pháp kết hợp hai công nghệ đại vào hệ thống dùng lại ưu điểm hai từ thỏa mãn yêu cầu mạng 5G tương lai, đồng thời tiết giảm chi phí xây dựng hệ thống cho nhà mạng Luận văn tập trung nghiên cứu, tìm hiểu đánh giá hiệu giải pháp fronthaul di động ứng dụng công nghệ truy nhập quang thụ động hệ RoF Học viên đề xuất mơ hình mạng fronthaul 5G sử dụng công nghệ MMW RoF phân tích hiệu mơ hình ảnh hưởng không nhiễu méo phi tuyến mà ảnh hưởng tán sắc sợi quang fading kênh vô tuyến Các kết méo phi tuyến, tán sắc sợi quang, fading yếu tố ảnh hưởng đến hiệu hệ thống Bằng cách thiết lập giá trị tham số số điều chế thích hợp, ảnh hưởng méo phi tuyến giảm cách đáng kể Ngoài ra, sợi dịch tán sắc sử dụng để giảm bớt ảnh hưởng tán sắc BER cải thiện TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Đặng Thế Ngọc, Phạm Thị Thúy Hiền, “Công nghệ truyền sóng vơ tuyến qua sợi quang – RoF”, tạp chí khoa học BCVT Ngơ Thị Thu Trang, Cao Hồng Sơn, Nguyễn Thành Nam, “Bài giảng Kỹ thuật thơng tin sợi quang”, Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông, 2010 Phạm Anh Thư, Sử dụng băng tần Milimeter kết hợp với công nghệ ROF để tăng tốc độ mạng truy nhập vơ tuyến, Tạp chí CNTT&TT, 23/08/2013 Tiếng Anh: Alexander L Architectures for radio over fiber transmission of high-quality video and data signals Department of Photonics Engineering Technical University of Denmark, Ph.D Thesis 2013 Beas, Gerardo Castanon, Ivan Aldaya, Alejandro Aragon-Zavala, Gabriel Campuzano, “Millimetter-Wave Frequency Radio over Fiber Systems: A Survey”, IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2013 C Lim et al., “Fiber-Wireless Networks and Subsystem Technologies,” J Light Technol., vol 28, no 4, pp 390–405, Feb 2010 Carl G 60 GHz Wireless Propagation Channels: Characterization, Modeling and Evaluation Lund University 2014; doctoral thesis CORREIA, L.M.; FRANCÊS, P.O.: “A Propagation Model for the Estimation of the Average Received Power in an Outdoor Environment in the Millimetre Wave Band,” in Proc of VTC’94 – 44th IEEE Vehicular Technology Conference, Stockholm, Sweden, Jun 1994, Vo 3, pp 1785-1788 Craig J A new, simple and exact result for calculating the probability of error for twodimensional signal constellations, Military Communications Conference 1991; 2: 571 – 575 Cheng-Xiang Wang, Fourat Haider, Xiqi Gao, Xiao-Hu You, Yang Yang, Dongfeng Yuan, Hadi M Aggoune, Harald Haas, Simon Fletcher, Erol Hepsaydir: “Cellular Architecture And Key Technologies For 5G Wireless Communication Networks”, IEEE Communications Magazine , February – 2014 G P Agrawal, Fiber-Optic Communication Systems John Wiley and Sons, Inc., 2002 9 Gliese U.; Norskov S.; Nielsen, T.N Chromatic dispersion in fiber-optic microwave and millimeter-wave links Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on 1996; 44 (10): 1716 – 1724 10 Govind P A Fiber-Optic Communications Systems John Wiley & Sons 2002, Third Edition, Inc ISBNs: 0-471-21571-6 (Hardback); 0-471-22114-7 (Electronic) 11 Gradshteyn I.S.; Ryzhik I.M Table of Integrals, Series, and Products; Elsevier Inc 2007 12 Gupta, R K Jha: “Survey of 5G Network: Architecture and Emerging Technologies”, IEEE Access, 2015 13 H Schmuck, “Comparison of Optical Millimetre-wave System Concepts with Regard to Chromatic Dispersion,” Electronics Letter, vol 31, pp 1848–1849, October 1995 14 Hoang T T.; and Matsumoto M Transmission analysis of OFDM millimeter-wave radio-over-fiber system Proc 2013 Fifth International Conference on Ubiquitous and Future Networks 2013 15 Hong Bong Kim, “Radio over Fiber based Network Architecture”, Berlin, 2008 16 Hong Bong Kim, “Radio over Fiber based Network Architecture”, Berlin, 2005 17 J Schönthier, “The 60 GHz Channel and its Modelling,” WP3 study, 2003 18 Jian Q.; Xuemin S.; Jon W M.; Qinghua S.; Yejun H.; and Lei L Enabling Device-toDevice Communications in Millimeter-Wave 5G Cellular Networks Communications Magazine, IEEE 2015; 53 (1): 209 – 215 19 K M Huq and J Rodriguez, Fronthauling/fronthauling for future wireless systems 2016 20 Lu J.; Lataief K.B.; Chuang J.C.I.; Liou M.L M-PSK and M-QAM BER computation using single space concepts IEEE Trans Communication 1999; 47: 181–184 21 M Attygalle, C Lim, G J Pendock, A Nirmalathas, and G Edvell, “Transmission Improvement in Fiber Wireless Links Using Fiber Bragg Gratings,” IEEE Photonics Technol Lett., vol 17, pp 190–192, January 2005 22 Marvin K S.; Mohamed-Slim A Digital Communication over Fading Channels; John Wiley & Sons, Inc., publication, 2005 23 Mikko K Radio wave propagation and antennas for millimeter-wave communications Aalto University publication series; Doctoral dissertation 2012  ... Các công nghệ sử dụng cho mạng fronthaul 5G Sử dụng cáp sợi quang cho mạng fronthaul 5G Hình 2.2 Sử dụng cáp sợi quang cho kết nối fronthaul 5G Sử dụng công nghệ WDM thụ động Hình 2.3 Sử dụng. .. khả ứng dụng hệ thống MMW RoF mạng fronthaul 5G Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: công nghệ MMW RoF - Phạm vi nghiên cứu: Ứng dụng hệ thống MMW RoF cho mạng fronthaul 5G Phương... sử dụng 1.3 Ứng dụng công nghệ MMW RoF Ứng dụng mạng tế bào hệ Kết nối fronthaul cho hệ thống thông tin di dộng Mạng WLAN Mạng giao thông RVC Mạng truy nhập vô tuyến ngoại ô nông thôn sử dụng RoF