(Đồ án tốt nghiệp) Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam

(Đồ án tốt nghiệp) Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam(Đồ án tốt nghiệp) Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam(Đồ án tốt nghiệp) Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam(Đồ án tốt nghiệp) Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam(Đồ án tốt nghiệp) Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam(Đồ án tốt nghiệp) Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam(Đồ án tốt nghiệp) Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam(Đồ án tốt nghiệp) Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam(Đồ án tốt nghiệp) Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam(Đồ án tốt nghiệp) Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam(Đồ án tốt nghiệp) Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam(Đồ án tốt nghiệp) Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam(Đồ án tốt nghiệp) Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam(Đồ án tốt nghiệp) Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam(Đồ án tốt nghiệp) Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam(Đồ án tốt nghiệp) Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam(Đồ án tốt nghiệp) Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam(Đồ án tốt nghiệp) Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam(Đồ án tốt nghiệp) Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam(Đồ án tốt nghiệp) Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam(Đồ án tốt nghiệp) Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam(Đồ án tốt nghiệp) Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam(Đồ án tốt nghiệp) Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam(Đồ án tốt nghiệp) Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam(Đồ án tốt nghiệp) Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY (Free Space Optics - FSO)

Giới thiệu về hệ thống truyền thông quang FSO

FSO (Free Space Optics) là công nghệ truyền thông dữ liệu giữa hai điểm thông qua bức xạ quang, với tín hiệu được điều chế vào cường độ, pha hoặc tần số của ánh sáng Đường truyền dẫn FSO yêu cầu máy thu và máy phát phải có tầm nhìn trực tiếp (Line of Sight - LOS) để đảm bảo việc trao đổi thông tin diễn ra thành công, không có vật cản nào trên đường truyền Kênh truyền tự do có thể bao gồm không gian vũ trụ giữa các vệ tinh, dưới nước, trong khí quyển, hoặc sự kết hợp của các môi trường này trong cùng một tuyến thông tin.

Công nghệ truyền thông FSO có khả năng đạt tốc độ dữ liệu hàng Gbps trong khoảng cách vài kilomet FSO tận dụng các bước sóng quang không cần cấp phép, mang lại tiềm năng lớn về dung lượng băng thông cho các ứng dụng truyền thông.

Hình 1.1 Hệ thống truyền thông quang không dây

Thông tin quang trong môi trường tự do (FSO) là một công nghệ lâu đời, sử dụng ánh sáng để truyền tín hiệu giữa hai điểm trong không gian.

Truyền thông tin quang trong môi trường tự do lần đầu tiên được khởi nguồn từ thí nghiệm Photophone của Alexander Graham Bell vào năm 1880 Trong thí nghiệm này, Bell đã sử dụng bức xạ mặt trời để truyền tín hiệu âm thanh qua khoảng cách 200 m Máy thu được chế tạo từ một gương parabol và một tế bào Selen ở tiêu điểm, tuy nhiên, kết quả không đạt yêu cầu do thiết bị thô sơ và sự gián đoạn tự nhiên của bức xạ mặt trời.

Cột mốc quan trọng trong sự phát triển của công nghệ FSO là sự phát hiện các nguồn quang, đặc biệt là laser vào những năm 1960 Từ đầu những năm 60 đến 70, nhiều nghiên cứu về FSO đã được thực hiện, như việc truyền tín hiệu truyền hình qua khoảng cách 48 km bằng diode phát quang GaA tại MIT năm 1962 Vào tháng 5 năm 1963, tín hiệu âm thanh điều chế bằng laser He-NE đã được truyền qua 190 km giữa hai ngọn núi Panamint Ridge và San Gabriel ở Mỹ Năm 1970, Nhật Bản đã xây dựng hệ thống truyền dẫn laser đầu tiên phục vụ thương mại, sử dụng Laser He-Ne với bước sóng 0.6328 μm, truyền thông tin giữa Yokohama và Tamagawa ở khoảng cách 14 km.

Từ thời điểm này, công nghệ FSO đã được nghiên cứu và thử nghiệm mạnh mẽ, đặc biệt trong lĩnh vực thông tin quân sự Ngoài ra, FSO cũng đang được NASA và ESA nghiên cứu để ứng dụng trong truyền thông không gian thông qua các chương trình như Mars Laser Communication Demonstration (MLCD) và Semiconductor-laser Inter-satellite Link Experiment (SILEX).

Trong vài thập kỷ qua, công nghệ FSO đã được nghiên cứu và chứng minh hiệu quả trong truyền thông vũ trụ giữa các vệ tinh, với tốc độ dữ liệu đạt tới 10 Gbps Mặc dù nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu các kỹ thuật cần thiết để xây dựng hệ thống thông tin FSO trong nhiều năm, nhưng vẫn còn nhiều tiềm năng để phát triển hơn nữa.

Tuy nhiên hệ thống thông tin FSO cho đến nay đây vẫn còn chưa được áp dụng phổ biến bởi nhiều nguyên nhân khác nhau:

- Các hệ thống thông tin liên lạc đang tồn tại đã đủ để giải quyết các nhu cầu thông tin hiện thời

Các nghiên cứu và phát triển công nghệ FSO đang tập trung vào việc cải thiện độ tin cậy của các khối thành phần, nhằm đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy cho toàn bộ hệ thống.

- Một hệ thống trong không gian luôn chịu ảnh hưởng bởi sự gián đoạn khi có mặt sương mù dày đặc

Dù có thể bỏ qua ảnh hưởng của khí quyển, hệ thống FSO vẫn cần phát hướng điểm chính xác và bộ phận đeo bám nhạy, những yếu tố này vẫn chưa được giải quyết triệt để cho đến nay.

Công nghệ FSO vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi trong các mạng truy cập do nhiều lý do khác nhau.

Hình 1.2 Chương trình MLCD của NASA 1.1.3 Ưu, nhược điểm của FSO

Băng thông là yếu tố quan trọng trong hệ thống thông tin, ảnh hưởng trực tiếp đến lượng dữ liệu được truyền tải Lượng băng thông tối đa có thể đạt tới 20% tần số tín hiệu mang Khi sử dụng tín hiệu mang là bức xạ quang với tần số từ 10^12 đến 10^16 Hz, băng thông có thể lên tới 2000 THz Do đó, hệ thống thông tin quang vượt trội hơn hẳn so với hệ thống vô tuyến, vì tần số của bức xạ quang cao hơn nhiều so với tần số sóng mang vô tuyến, cho phép lưu lượng thông tin lớn hơn đáng kể.

Bán kính tia nhỏ trong bức xạ quang cho phép công suất phát tập trung trong một diện tích hẹp, giúp đường truyền FSO có khả năng cách ly không gian tốt, tránh nhiễu từ các đường truyền khác Sự chiếm dụng không gian nhỏ này cho phép các tia laser hoạt động độc lập, tạo điều kiện cho khả năng sử dụng lại tần số gần như vô hạn trong nhiều môi trường Tuy nhiên, điều này cũng đặt ra yêu cầu cao về đồng bộ thu phát.

Phổ tần sử dụng không cần cấp phép là một giải pháp hiệu quả trong thông tin vô tuyến, giúp giảm thiểu nhiễu sóng giữa các tần số gần nhau Để quản lý việc cấp phát và sử dụng tần số, các tổ chức quản lý tài nguyên tần số đã được thành lập, tuy nhiên, quy trình này thường tốn nhiều chi phí và thời gian Hiện tại, các tần số quang không chịu sự quản lý này, vì tín hiệu mạng quang hầu như không gây nhiễu cho nhau, ngay cả khi hai đường truyền quang có cùng tần số đặt cạnh nhau.

Hệ thống thông tin FSO có chi phí triển khai thấp hơn nhiều so với hệ thống thông tin vô tuyến thông thường, đặc biệt khi tốc độ dữ liệu tương đương Điều này xuất phát từ việc FSO không cần phí cấp phát dải tần và các thành phần trong đường truyền cũng có giá thành rẻ hơn Một nghiên cứu gần đây tại Canada cho thấy giá 1 Mbps mỗi tháng của hệ thống FSO chỉ bằng một nửa so với hệ thống vô tuyến truyền thống.

Triển khai và tái sử dụng đường truyền FSO rất nhanh chóng và dễ dàng, chỉ mất vài giờ để thiết lập Yêu cầu chính là đảm bảo tầm nhìn không bị cản trở giữa máy thu và máy phát Đường truyền FSO cũng có khả năng di chuyển linh hoạt đến các khu vực khác một cách thuận tiện.

Các kiến trúc mạng đƣợc dùng trong FSO mặt đất

Các hệ thống FSO có khả năng hoạt động trong nhiều cấu hình mạng khác nhau như lưới, điểm – điểm, điểm – đa điểm và vòng Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà cung cấp mạng khu vực đô thị trong việc xây dựng và mở rộng mạng tốc độ cao đến tay khách hàng.

Một mạng lưới bao gồm các nút mạng được kết nối với nhau với mức độ dư thừa nhất định để đảm bảo dự phòng Mỗi nút có thể kết nối trực tiếp hoặc gián tiếp với các nút khác, và mức độ dư thừa quyết định khả năng kết nối trong mạng Số lượng nút mạng càng nhiều, mức dư thừa càng lớn, từ đó tăng cường khả năng liên lạc Kiến trúc mạng lưới này có độ tin cậy cao và dễ dàng thêm nút mạng, nhưng lại bị giới hạn về khoảng cách.

Hình 1.4 Kiến trúc mạng lưới 1.2.2 Kiến Trúc Mạng Điểm – Đa Điểm

Kiến trúc điểm-đa điểm mang lại kết nối hiệu quả với chi phí thấp, đồng thời thuận tiện trong việc thêm các nút mạng mà không tốn nhiều băng thông như kiến trúc điểm-điểm.

Hình 1.5 Kiến trúc mạng điểm- đa điểm

Trong kiến trúc mạng điểm - đa điểm, một nút mạng hoạt động như nút khởi đầu, từ đó nhiều tuyến quang vô tuyến được phát triển Phương pháp tối ưu là kết nối mỗi tuyến FSO với thiết bị lớp 2 hoặc lớp 3 trong một phòng của tòa nhà Các tuyến này sau đó được nối bằng cáp quang tới bộ chuyển mạch hoặc bộ định tuyến, có thể được đặt ở bất kỳ vị trí nào trong tòa nhà, bao gồm cả tầng trên cùng hoặc phòng khác.

1.2.3 Kiến Trúc Mạng Nhiều Tuyến Điểm – Điểm

Hình 1.6 Kiến trúc điểm- điểm

Kiến trúc mạng nhiều tuyến điểm là giải pháp lý tưởng cho những tình huống yêu cầu mở rộng khoảng cách hoặc rút ngắn đường truyền quang do điều kiện thời tiết Kiểu kết nối này cung cấp khả năng băng tần rộng hơn, đáp ứng nhu cầu truyền tải dữ liệu hiệu quả.

Hình 1.7 Kiến trúc mạng vòng

Trong kiến trúc mạng vòng, các nút mạng được kết nối qua các tuyến quang vô tuyến, tạo thành một vòng khép kín có khả năng phân nhánh thành các tuyến điểm – điểm Kiến trúc này mang lại độ tin cậy cao hơn so với kiến trúc điểm – điểm và điểm – đa điểm, đồng thời cũng đơn giản hơn so với kiến trúc mạng lưới.

Mô hình hệ thống FSO

Hệ thống FSO, tương tự như các hệ thống thông tin khác, bao gồm ba thành phần cơ bản: máy phát, kênh truyền dẫn và máy thu.

Các thành phần chính trong hệ thống truyền thông quang không dây được minh họa như trong hình 1.8

Hình 1.8 Sơ đồ khối của hệ thống truyền thông quang không dây

Dữ liệu đầu vào từ nguồn được truyền tới đích xa thông qua cơ chế điều chế sóng mang quang, như điều chế laser Tín hiệu quang sau đó được gửi qua kênh khí quyển Các tham số quan trọng của hệ thống phát quang bao gồm kích cỡ, công suất và chất lượng búp sóng, ảnh hưởng đến cường độ laser và góc phân kỳ nhỏ nhất Phương thức điều chế phổ biến được sử dụng trong bộ phát là điều chế cường độ (IM), trong đó cường độ phát xạ của nguồn quang được điều chỉnh theo số liệu cần truyền.

Kênh truyền của hệ thống FSO là kênh tự do hoạt động trong môi trường nước, không gian và khí quyển Khác với kênh nhiễu Gauss thông thường, kênh thông tin quang truyền tải tín hiệu x(t) dưới dạng công suất thay vì biên độ Điều này tạo ra hai giới hạn quan trọng đối với tín hiệu được truyền.

- tín hiệu truyền đi phải không âm;

- giá trị trung bình của tín hiệu truyền đi không được vượt quá giá trị cực đại của công suất phát

Tại phía thu, trường quang được tập trung và tách ra, dẫn đến sự xuất hiện của xuyên nhiễu, méo tín hiệu và bức xạ nền Các đặc tính quan trọng bên phía thu bao gồm kích cỡ độ mở và số lượng photon, hai yếu tố này quyết định lượng ánh sáng được tập trung và phạm vi tách trường quang của bộ tách quang.

Kết luận

Chương 1 đã giới thiệu tổng quan về hệ thống truyền thông quang qua không gian và mô hình của hệ thống FSO Trong bối cảnh tương lai, nhu cầu về các giải pháp truyền dẫn tốc độ cao ngày càng tăng, nhằm phục vụ cho doanh nghiệp, tổ chức và cá nhân Những giải pháp này cần đảm bảo tính chi phí hiệu quả, khả năng triển khai nhanh chóng, cũng như truyền tải thông tin một cách an toàn và tin cậy Hệ thống FSO có khả năng đáp ứng đầy đủ các yêu cầu này và dự kiến sẽ được áp dụng rộng rãi trong tương lai.

MỘT SỐ ỨNG DỤNG TIÊU BIỂU CỦA HỆ THỐNG FSO

Ứng dụng trong thông tin mặt đất

Công nghệ FSO (Free Space Optics) có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các mạng truy nhập và mạng đô thị, nhờ vào khoảng cách ngắn từ người sử dụng đầu cuối đến mạng xương sống, chỉ khoảng 1 dặm Điều này giúp FSO trở thành giải pháp lý tưởng để giải quyết vấn đề "nút thắt cổ chai", đóng vai trò cầu nối giữa mạng cáp quang xương sống và người sử dụng cuối Một số lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu của công nghệ FSO bao gồm truyền thông không dây, kết nối mạng tạm thời, và cung cấp internet cho các khu vực khó khăn.

2.1.1 Kết nối tốc độ cao giữa các tòa nhà

Hiện nay, nhiều doanh nghiệp đang phải đối mặt với tình trạng quá tải lưu lượng mạng tại các kết nối giữa các tòa nhà, đặc biệt là khi sử dụng mạng nội bộ dựa trên tiêu chuẩn Gigabit Ethernet với băng thông 2.048 (hoặc 1.544) Mbit/s Điều này gây hạn chế cho các doanh nghiệp có nhu cầu truyền tải dữ liệu lớn mà không muốn đầu tư vào các kết nối sợi quang tốn kém và phức tạp Việc lắp đặt sợi quang không chỉ tốn thời gian mà còn gặp nhiều rào cản như xin cấp phép, an ninh, đào rãnh và yêu cầu về môi trường Để giải quyết những vấn đề này và tăng cường lưu lượng kết nối, các doanh nghiệp có tòa nhà nằm trong tầm nhìn thẳng đang chuyển sang sử dụng các giải pháp FSO.

- Tắc nghẽn về lưu lượng

- Yêu cầu xin phép và cấp giấy phép

- Việc đào rãnh, cống và đặt cáp

- Vấn đề liên quan tới hợp đồng thuê (cho thuê) tòa nhà

- Tốn thời gian lắp đặt

Hình 2.1 Kết nối tốc độ cao giữa các tòa nhà

Về công nghệ, FSO là giải pháp kết nối dữ liệu hiệu quả cho các tòa nhà đô thị, cho phép kết nối giữa các mạng LAN Khoảng cách truyền tải của FSO có thể từ vài trăm mét đến vài km, và việc triển khai hệ thống FSO không chỉ đơn giản mà còn tiết kiệm chi phí lắp đặt hơn so với các loại cáp truyền thống.

FSO là công nghệ truyền dẫn tốc độ cao, kết nối người dùng Internet với nhà cung cấp và các mạng khác Nó có thể được triển khai như một hệ thống mạng vòng đô thị, cung cấp kết nối nhanh chóng cho doanh nghiệp Ngoài ra, FSO còn hỗ trợ truyền tải lưu lượng mạng di động từ anten đến các thiết bị khác Công nghệ này cũng cho phép truyền dữ liệu giữa tàu vũ trụ và trạm mặt đất, mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong viễn thông.

2.1.2 Ứng dụng trong mạng truy nhập đầu cuối

FSO là giải pháp tối ưu để kết nối băng thông giữa người dùng cuối và mạng xương sống Công nghệ cáp quang trong mạng xương sống mang lại băng thông lớn và tốc độ dữ liệu cao.

Mặc dù mạng lõi có băng thông quang rất lớn, nhưng người dùng trong mạng truy cập không thể tận dụng hết do giới hạn băng thông của công nghệ truyền dẫn trên cáp đồng Điều này dẫn đến hiện tượng "nghẽn cổ chai ở mạng truy cập", làm giảm tốc độ dữ liệu mà người dùng có thể sử dụng Để khắc phục vấn đề này, nhiều giải pháp đã được đề xuất, bao gồm Internet cáp quang FTTH, công nghệ siêu băng rộng không dây UBW, và công nghệ thông tin quang tự do FSO Trong số đó, công nghệ FSO được xem là giải pháp hứa hẹn nhất nhờ vào chi phí thiết kế, triển khai và sử dụng thấp, băng thông lớn, cùng với phổ tần không cần cấp phép.

Hình 2.2 FSO ứng dụng trong mạng truy nhập đầu cuối

Hệ thống truyền dẫn FSO đã được triển khai trên thị trường với khoảng cách từ 50m đến vài km, cung cấp tốc độ dữ liệu linh hoạt từ 1 Mbps đến 10 Gbps.

Công nghệ FSO có thể được áp dụng để tạo ra đường truyền dẫn dự phòng cho cáp quang, đảm bảo kết nối liên tục trong trường hợp đường truyền chính gặp sự cố.

Công nghệ FSO được ứng dụng trong các mạng tế bào như một giải pháp truyền dẫn backhaul giữa các trạm gốc và trung tâm chuyển mạch trong mạng di động 3G, 4G Nó cũng có khả năng truyền tín hiệu CDMA IS-95 từ các tế bào tới các trạm gốc.

Công nghệ FSO (Free Space Optics) đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập đường truyền dẫn tạm thời trong các tình huống thiên tai như động đất, núi lửa hay sóng thần Khi các đường truyền chính bị gián đoạn, FSO có thể được triển khai để kết nối và tổ chức hội nghị, đảm bảo liên lạc hiệu quả trong thời điểm khẩn cấp.

Công nghệ FSO đã được ứng dụng trong mạng truyền dẫn tại các trường học, giúp kết nối hiệu quả giữa các khuôn viên của trường đại học và trung tâm nghiên cứu Ngoài ra, FSO còn cung cấp liên kết dự phòng với tốc độ tương đương FAST-Ethernet, có khả năng đạt tới GigabitEthernet.

Công nghệ FSO là giải pháp hiệu quả cho việc kết nối dữ liệu ở những địa hình khó khăn, như vượt sông, qua đường phố đông đúc, hoặc qua đường ray xe lửa Đây là lựa chọn lý tưởng khi việc thiết lập đường dây trực tiếp không khả thi hoặc tốn kém.

Công nghệ FSO ngày càng trở nên phổ biến trong ngành công nghiệp truyền hình nhờ khả năng truyền tín hiệu trực tiếp từ máy quay độ nét cao (HD) ở các trạm di động tới trung tâm truyền hình Điều này đáp ứng nhu cầu lớn về băng thông cho việc phát sóng truyền hình với độ nét cao.

2.1.3 Ứng dụng trong trao đổi thông tin cá nhân

Truyền thông quang không dây với khoảng cách ngắn đã được nghiên cứu và ứng dụng mạnh mẽ trong việc trao đổi thông tin giữa các thiết bị cá nhân trong những thập kỷ gần đây Công nghệ này không chỉ mang lại băng thông khổng lồ và phổ tần không cần đăng ký, mà còn đảm bảo an toàn cho sức khỏe và bảo mật thông tin, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho việc kết nối giữa các thiết bị cá nhân.

Khoảng cách ngắn và yêu cầu công suất phát bức xạ quang thấp là những nguyên nhân chính cho việc ứng dụng công nghệ FSO Công nghệ này không gây can nhiễu đến các hệ thống thông tin vô tuyến khác, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng Các ứng dụng trong điều khiển và trao đổi thông tin giữa các điện thoại có thể tận dụng hiệu quả công nghệ truyền thông quang không dây.

Ứng dụng trong thông tin vệ tinh

Sóng vô tuyến thường được sử dụng để truyền thông tin giữa các vệ tinh và trạm mặt đất Gần đây, xu hướng mới trong thông tin vệ tinh là sử dụng bức xạ quang laser làm tín hiệu thay thế cho sóng vô tuyến.

Hình 2.3 FSO trong thông tin vệ tinh

Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) đã triển khai dự án SILEX từ năm 2003, sử dụng đường truyền dẫn quang không dây với tốc độ 50 Mbps để thực hiện việc trao đổi thông tin hai lần mỗi ngày giữa một vệ tinh tầm thấp (LEO) và một vệ tinh địa tĩnh (GEO).

Chương trình OICETS, được phát triển bởi JAXA vào năm 2005, tập trung vào việc thiết lập thông tin liên quỹ đạo giữa các vệ tinh thông qua bức xạ quang.

Xu hướng mới trong thông tin vệ tinh hiện nay là áp dụng công nghệ thông tin quang không dây cho nhiều mục đích khác nhau trong không gian Bài viết này sẽ trình bày một số hoạt động thiết yếu liên quan đến việc sử dụng thông tin quang không dây trong môi trường vũ trụ.

2.2.1 Phục vụ các hoạt động của con người trong không gian

Trong tương lai gần, du lịch vũ trụ sẽ không còn là đặc quyền của phi hành gia mà sẽ mở rộng cho cả những người bình thường Sự phát triển của du lịch vũ trụ sẽ tạo ra nhu cầu cấp thiết về kết nối internet tốc độ cao trên các tàu vũ trụ và trạm vũ trụ.

Trên các trạm vũ trụ như trạm vũ trụ quốc tế (ISS), phi hành gia và chuyên gia cần có phương tiện giải trí tương tự như trên mặt đất để giải tỏa căng thẳng Họ có thể thưởng thức các bộ phim nổi tiếng và nghe những bài hát hay, điều này hoàn toàn khả thi nhờ vào công nghệ thông tin quang không dây.

Với đường truyền quang 1 Gbps, việc gửi phim và nhạc mới lên vũ trụ chỉ mất vài phút Quan trọng hơn, các nhà khoa học có thể truyền tải số liệu và kết quả nghiên cứu tức thời giữa trạm vũ trụ và mặt đất.

Truyền thông quang không dây đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng để thực hiện những mục đích đó

2.2.2 Truyền dữ liệu từ những vệ tinh quan sát

Nhiều vệ tinh quan sát trái đất đã được phát triển nhằm phục vụ cho dự báo thời tiết và thăm dò trái đất Để nâng cao độ chính xác trong đo đạc, cần tăng cường độ phân giải của các cảm biến, dẫn đến yêu cầu về tần suất và phạm vi quan sát rộng hơn Do đó, tốc độ truyền dẫn dữ liệu từ vệ tinh đến trạm mặt đất cần được cải thiện, và thông tin quang không dây là giải pháp hiệu quả cho vấn đề này.

Hình 2.4 Truyền dẫn quang không dây từ vệ tinh tới trạm mặt đất

2.2.3 Trao đổi thông tin giữa tàu vũ trụ và các vệ tinh

Trong nhiều tàu vũ trụ, kết nối internet hoàn toàn khả thi thông qua công nghệ Ku Tốc độ truyền dữ liệu tối đa hiện tại là 20 Mbps từ vệ tinh tới tàu vũ trụ và 1 Mbps ngược lại, điều này gây khó khăn cho việc trao đổi thông tin tức thì và truyền dữ liệu lớn Để khắc phục vấn đề này, công nghệ truyền dẫn quang không dây đang được nghiên cứu và áp dụng cho việc kết nối giữa các vệ tinh và tàu vũ trụ.

CHƯƠNG 3: CÁC VẤN ĐỀ TRONG VIỆC THIẾT KẾ TUYẾN

Giới thiệu chương

Chương này trình bày chi tiết về các vấn đề liên quan đến việc xây dựng, vận hành và tối ưu hóa một tuyến quang không dây, đây là ứng dụng nổi bật nhất của hệ thống quang không dây.

 Các phần cần có trong 1 tuyến quang

 Yếu tố ảnh hưởng, đánh giá, nâng cao chất lượng tuyến quang không dây

 Đặc điểm đường truyền trong FSO

 Vấn đề lựa chọn tần số

Đặc điểm, yêu cầu của bộ phát

Yêu cầu quan trọng của hệ thống là kích thước và phẩm chất

 Kích thước bề mặt laser xác định công suất ra lớn nhất an toàn có thể giảm những ảnh hưởng khi có vật cản (như chim bay ngang qua)

 Phẩm chất của thiết bị cùng với số F (xác định trường nhìn) và bước sóng, xác định độ phân tán của chùm laser ở phía thu

Khi lựa chọn bộ phát cho mạng cáp quang, cần chọn những thiết bị có tham số tương đồng để giảm chi phí và tối ưu hóa quy trình thiết kế Thiết bị phát cần có công suất lớn và đảm bảo an toàn cho mắt người, thường được phân loại theo các tiêu chuẩn cụ thể.

Bảng 3.1 Phân loại độ an toàn laser của bộ phát nguồn

Các hệ thống hoạt động ngoài trời thường sử dụng laser công suất cao thuộc nhóm 3B để đảm bảo khả năng dự trữ công suất hiệu quả Theo tiêu chuẩn an toàn, những hệ thống này nên được lắp đặt ở vị trí mà ánh sáng không bị cản trở và không thể nhìn thấy trực tiếp bởi mắt người một cách ngẫu nhiên.

Bộ phát thường sử dụng laser diode vì nó phổ biến trên thị trường và đáp ứng những bước sóng mong muốn

Những tham số then chốt cần phải xem xét trong quá trình thiết kế: bước sóng λ, công suất P0, thời gian lên tr , thời gian xuống tf

LD phát chùm ánh sáng cường độ cao phụ thuộc vào dòng ngưỡng đầu vào và nhiệt độ T Hình 3.1 minh họa hai đặc tuyến cường độ ánh sáng đầu ra trên dòng đầu vào tại hai nhiệt độ khác nhau, T1 và T2 (với T1 < T2) Ở nhiệt độ T2, dòng ngưỡng I th dịch sang phải, cho thấy mối quan hệ giữa dòng ngưỡng và nhiệt độ.

Trong đó I 0 , K 1 , T 1 là những hằng số cho từng laser cụ thể Ví dụ, laser DBF có I 0 =1.8mA, K 1 =3.85mA và T 1 @ o C

Hình 3.1 Dòng laser, điện áp thuần và công suất quang đầu ra

Khi nhiệt độ tăng từ T1 lên T2, đặc tuyến của Laser thay đổi, dẫn đến việc độ dốc giảm và dòng I th tăng, gây ra sự giảm hiệu suất của Laser.

Quá trình điều chế diễn ra bằng cách duy trì dòng phân cực qua LD đạt đủ mức Ith Khi truyền bit "1", dòng phân cực tăng lên (Ith + I0), tạo ra phát xạ lớn đầu ra Ngược lại, khi truyền bit "0", dòng phân cực giữ nguyên hoặc tăng nhưng không đủ mức "1", do đó không có tín hiệu Trong số nhiều phương pháp điều chế, cường độ IM và OOK là những phương pháp phù hợp nhất với đặc tính này.

Khi chọn thiết bị LASER, ngoài phương pháp điều chế và công suất, tần số cũng đóng vai trò quan trọng Hai dải tần số thường được sử dụng cho LASER là từ 780-925nm và 1525-1580nm.

Hình 3.2 Điều chế IM ở hai nhiệt độ khác nhau

Hệ thống FSO phải đạt được các chỉ tiêu sau:

 Khả năng hoạt động ở tần số cao (quan trọng đối với hệ thống FSO khoảng cách xa)

 Sự điều chế tốc độ cao (quan trọng đối với hệ thống FSO tốc độ cao)

 Vùng phủ nhỏ và công suất tiêu thụ nhỏ (điều này luôn quan trọng trong tất cả các hệ thống)

 Có khả năng hoạt động trong phạm vi nhiệt độ lớn mà không giảm hiệu suất đáng kể (quan trọng đối với hệ thống ngoài trời)

Thời gian trung bình giữa hai lần xảy ra sự cố là hơn 10 năm Để đáp ứng yêu cầu này, chúng ta thường sử dụng Laser phát xạ mặt với bộ cộng hưởng thẳng đứng (VCSELs), đặc biệt trong dải bước sóng hồng ngoại ngắn.

FD hay DFB dùng cho phạm vi bước sóng hồng ngoại dài Các loại Laser khác là không thích hợp cho hệ thống FSO hiệu suất cao

Hình 3.3 Cấu tạo Laser VCSEL

Nguồn khuếch đại như EDFAs và bộ khuếch đại bán dẫn (SOAs) được sử dụng để nâng cao công suất của các nguồn Laser công suất thấp Công nghệ EDFAs và SOA có khả năng khuếch đại đồng thời một bước sóng và đa bước sóng thông qua ghép kênh phân chia bước sóng (WDM) Với độ lợi vượt quá 30dB, EDFAs có thể tạo ra công suất đầu ra ở bước sóng 1550nm cho hệ thống FSO lên tới 1W đến 2W Tuy nhiên, giá thành của EDFAs hiện tại vẫn còn khá cao, và mục đích sử dụng của chúng ta là hướng tới các hệ thống hoạt động ở tốc độ 1 Gbps.

Đặc điểm, yêu cầu của bộ thu

Bộ phận thu ánh sáng có nhiều giới hạn hơn so với thiết bị phát Hai hệ thống tách sóng phổ biến trong phạm vi gần hồng ngoại sử dụng công nghệ silicon hoặc InGaAs Các thiết bị này có đáp ứng phổ rộng, và khác với laser, chúng không hoạt động ở một bước sóng cụ thể Nếu cần giải điều chế, điều này cần được xem xét kỹ lưỡng.

1 bước sóng đặc biệt trong hê thống WDM, thì các bộ lọc bước sóng bên trong sẽ kết hợp chặt chẽ vào trong thiết kế

3.3.1 Bộ tách sóng các bước sóng ngắn (hồng ngoại 1330nm)

Silicon là vật liệu phổ biến trong việc tách sóng ở vùng bước sóng gần hồng ngoại và ánh sáng nhìn thấy Công nghệ silicon đã phát triển mạnh mẽ, cho phép thiết bị thu silicon tách biệt tín hiệu ánh sáng ngay cả ở mức cực thấp.

Silicon là vật liệu tách sóng băng rộng với đáp ứng phổ độc lập tại bước sóng hoạt động của bộ phát Bộ tách sóng silicon có độ nhạy cao ở bước sóng 850nm, lý tưởng cho việc sử dụng cùng với bộ phát xạ VCSELs Tuy nhiên, độ nhạy này giảm nhanh chóng khi ở vùng bước sóng dài hơn Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng 1100nm là bước sóng cắt của bộ tách sóng silicon, không thể hoạt động ngoài vùng này Bộ tách sóng silicon hỗ trợ băng thông lớn, với ứng dụng hiện tại khoảng 10Gbps Hai loại bộ tách sóng phổ biến là PIN silicon (Si-PIN) và APD (Si-APD).

Si-PIN với bộ khuếch đại đổi tần tích hợp là một lựa chọn phổ biến trong các bộ tách sóng Độ nhạy của Si-PIN phụ thuộc vào băng thông tín hiệu điều chế, với độ nhạy giảm khi băng thông tách sóng tăng Thông thường, độ nhạy của Si-PIN đạt khoảng -34dB ở tốc độ 155Mbps.

Bộ tách sóng Si-APD có độ nhạy cao hơn nhờ vào tiến trình khuếch đại bên trong, làm cho nó trở thành lựa chọn hữu ích hơn trong các ứng dụng truyền thông quang không dây (FSO) Đối với các ứng dụng băng thông rộng, độ nhạy có thể đạt -55dBm ở tốc độ vài Mbps, -52dBm ở tốc độ 155Mbps, và -46dBm ở tốc độ 622Mbps.

Bộ tách sóng silicon có kích thước lớn (0.2 x 0.2 mm) nhưng vẫn hoạt động hiệu quả ở tốc độ cao Đặc điểm này giúp giảm thiểu suy hao ánh sáng khi ánh sáng được tập trung vào bộ tách sóng, đồng thời có thể sử dụng các thấu kính đường kính lớn hoặc gương parabol phản xạ.

3.3.2 Bộ tách sóng các bước sóng dài (hồng ngoại 1550nm)

InGaAs là vật liệu phổ biến trong việc tách sóng các bước sóng dài Giống như Silicon, InGaAs có khả năng tách sóng băng thông rộng, và hiệu ứng lượng tử cơ bản của nó phụ thuộc vào bước sóng giải điều chế.

Trong các thập niên trước, bộ tách sóng InGaAs đã được cải tiến liên tục về độ nhạy, băng thông hữu dụng và các kỹ thuật sợi quang ở bước sóng 1550 nm Hiện nay, gần 100% hệ thống sợi quang sử dụng InGaAs làm vật liệu tách sóng.

Bộ tách sóng InGaAs được tối ưu hóa cho các bước sóng 1310 nm và 1550 nm, mang lại hiệu suất kinh tế cao Tuy nhiên, độ nhạy của nó giảm mạnh ở các bước sóng ngắn, do đó không phù hợp cho việc tách sóng ở bước sóng 850 nm.

Bộ tách sóng InGaAs mang lại lợi ích lớn nhất với khả năng hoạt động ở băng thông cực lớn và đáp ứng phổ cao tại bước sóng 1550 nm Hầu hết các bộ thu InGaAs sử dụng công nghệ PIN hoặc APD, trong đó InGaAs APD có độ nhạy cao hơn nhờ vào quy trình khuếch đại bên trong Độ nhạy băng thông cao đạt -46dBm ở tốc độ 155Mbps và -36dBm cho tốc độ 1,25 Gbps, mặc dù kích thước của bộ tách sóng InGaAs nhỏ hơn so với thiết bị tương tự làm từ silicon, điều này gây khó khăn cho việc kết nối ánh sáng.

Hình 3.4 Mô hình một bộ thu phát Laser dùng trong hệ thống FSO

Đặc điểm kênh truyền trong hệ thống FSO

3.4.1 Các loại suy hao trong môi trường truyền dẫn FSO

Kênh truyền của hệ thống FSO liên quan đến quá trình truyền, hấp thụ và tán xạ ánh sáng qua khí quyển trái đất Sự tương tác của khí quyển với ánh sáng phụ thuộc vào thành phần không khí, bao gồm nhiều loại phân tử khí và hạt lơ lửng Những tương tác này dẫn đến các hiện tượng quang học như hấp thụ chọn lọc, tán xạ và sự chập chờn của ánh sáng thu được.

Sự hấp thụ chọn lọc là quá trình mà các bức xạ ánh sáng được truyền qua các bước sóng nhất định, được tạo ra từ sự tương tác giữa photon và các phân tử, nguyên tử như H2O.

Sự hiện diện của các khí như CO2, N2, O2, H2 và O3 dẫn đến hiện tượng suy hao tín hiệu và làm tăng nhiệt độ xung quanh do sự biến mất của các photon truyền tới Hiện tượng này phụ thuộc vào thành phần không khí và bước sóng ánh sáng sử dụng Có những vùng bước sóng mà sự truyền ánh sáng gần như trong suốt, không bị hấp thụ, được gọi là cửa sổ tần số.

Tán xạ trong môi trường không khí là kết quả của sự tương tác giữa ánh sáng và các hạt bụi, cũng như các dạng hạt nước trong không khí, ảnh hưởng đến hướng bức xạ mà không làm thay đổi bước sóng Hiện tượng này xảy ra khi kích thước của các hạt trong không khí tương đương với bước sóng của ánh sáng truyền, thường gặp trong các điều kiện thực tế như sương mù và mưa phùn.

Hiện tượng chập chờn trong FSO là sự thay đổi tín hiệu do biến động nhiệt độ trong môi trường truyền và sự phân bố ngẫu nhiên của các lớp không khí Các lớp không khí này có khoảng cách biến đổi từ 10cm đến 1km và nhiệt độ khác nhau, dẫn đến các hệ số khúc xạ khác nhau, gây ra hiện tượng tán xạ và đa đường, cũng như biến đổi góc tới Tín hiệu thu được thay đổi nhanh chóng với tần số từ 0.01 đến 200 Hz, và mặt sóng thay đổi tạo ra sự hội tụ và phân kỳ của chùm ánh sáng.

Các tác động khác có ảnh hưởng lớn đến đường truyền bao gồm các vật chắn như cây cối, sinh vật bay, sự di chuyển của tòa nhà và cột tháp lắp thiết bị, cùng với sự chấn động của mặt đất làm lệch hướng tia sáng Mặc dù xác suất xảy ra của những yếu tố này là rất thấp, chúng ta vẫn có thể loại bỏ được.

Sơ đồ tổng kết ảnh hưởng môi trường tới hệ thống FSO:

3.4.2 Ảnh hưởng của sự thay đổi không khí đến chất lượng tín hiệu

Sự thay đổi tính chất không khí ảnh hưởng đến cường độ tín hiệu tại đầu thu, do chỉ số khúc xạ biến đổi, khiến không khí hoạt động như thấu kính, làm lệch chùm tia tín hiệu Thời gian truyền tín hiệu phụ thuộc vào tốc độ gió, với sự thăng giáng yếu dẫn đến phân bố cường độ tín hiệu theo hàm logarit Trong trường hợp quang không gian với truyền lan ngang, sự thay đổi này mạnh mẽ hơn, dẫn đến phân bố cường độ thu theo quy luật hàm mũ.

Tham số cấu trúc khúc xạ là chỉ số quan trọng để đo lường sự thay đổi của không khí, và nó có mối liên hệ trực tiếp với tốc độ gió Sự biến đổi của tham số này có thể giúp dự đoán sự thay đổi cường độ tín hiệu tại đầu thu.

Phương sai của sự thay đổi cường độ tín hiệu đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích ảnh hưởng của khí quyển đến sự truyền của trường ánh sáng Điều này không chỉ tác động đến sự suy giảm tín hiệu mà còn liên quan đến hệ số phản xạ, ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu truyền tải.

Rayleigh (bởi cộng hưởng electron)

(do các hạt phân tử trong không khí)

+ Hấp thụ vạch của các phân tử khí + Hấp thụ liên tục;

+ Hấp thụ bởi các phần tử đặc lỏng

Suy hao trong không gian

Sự nhiễu loạn của không khí ngẫu nhiên làm thay đổi hệ số phản xạ

Mất tia sáng, do sự thay đổi chậm của các hệ số phản xạ

Thay đổi góc tới k là hằng số truyền sóng (rad/m)

Từ biểu thức ta thấy:

 Cường độ thay đổi không khí tỉ lệ nghịch với bước sóng sử dụng (hệ thống hoạt động ở bước sóng 780 nm có sự thay đổi khoảng hai lần ở

Sự thay đổi tỷ lệ thuận với khoảng cách được thể hiện rõ trong hình 3.6, nơi mô tả miệng máy thu với các đốm màu đen và trắng phân bố ngẫu nhiên Kích thước vệt đốm tỷ lệ (λR) là 1/2, cho thấy mối liên hệ giữa khoảng cách và ảnh hưởng của sự thay đổi.

Ở bước sóng dài, vệt đốm lớn hơn xuất hiện tại miệng máy thu, gây bất lợi cho hoạt động của hệ thống do số lượng vệt đốm hạn chế Nếu miệng thu chỉ tiếp nhận một vệt, phía phát cần tăng công suất để đảm bảo tỷ lệ lỗi bit (BER) khi vệt đó là vệt đen.

 Kích thước tỉ lệ với căn bậc hai với khoảng cách Cự li xa hơn ảnh hưởng xấu đến hệ thống

Hình 3.6 Vệt đốm và kích thước trung bình miệng thu

Yếu tố ảnh hưởng, đánh giá, nâng cao chất lượng tuyến quang không dây 28

3.5.1 Tham số ảnh hưởng đến chất lượng của tuyến

3.5.1.1 Phương trình truyền của tuyến

Phương trình truyền của hệ thống quang không gian ở dạng đơn giản (bỏ qua hiệu suất quang máy phát, nhiễu máy thu…):

Trong đó: là diện tích mặt máy thu (m 2 )

Div là góc phân kì của chùm tia (radian) α là hệ số suy giảm không khí

P transmit là công suất máy phát (W) exp(-α.Range) là hàm mũ cơ số e của tích hệ số suy giảm và khoảng cách

Công suất thu phụ thuộc trực tiếp vào công suất phát và diện tích miệng thu, trong khi đó, nó tỉ lệ nghịch với bình phương của tích góc phân kỳ chùm tia và khoảng cách truyền Ngoài ra, công suất thu cũng tỉ lệ nghịch với hàm mũ của hệ số suy giảm không khí và khoảng cách.

Phương trình liên quan đến các biến có thể điều chỉnh như công suất phát, kích thước miệng thu, góc phân kỳ chùm tia và khoảng cách Trong khi đó, hệ số suy giảm không thể kiểm soát và phụ thuộc vào điều kiện môi trường bên ngoài, có thể không liên quan đến bước sóng trong trường hợp suy hao nghiêm trọng.

Công suất thu tín hiệu phụ thuộc chủ yếu vào hệ số suy giảm và khoảng cách Trong điều kiện thời tiết xấu, việc tăng công suất phát, kích thước miệng thu hay lắp đặt chùm tia hẹp không làm thay đổi công suất thu Yếu tố duy nhất có thể điều chỉnh là khoảng cách, cần phải đủ ngắn để hệ số suy giảm không chiếm ưu thế trong phương trình.

Hình 3.7 Công suất thu phụ thuộc vào tích hệ số suy giảm và khoảng cách

Trục x thể hiện khoảng cách R (m) của tuyến Trục y là giá trị của hệ số nhân exp(-α.Range) (hàm mũ logarit tự nhiên) và hệ số nhân trong biểu thức

Hệ số suy giảm có ảnh hưởng lớn trong môi trường thời tiết xấu trong phương trình truyền, tuy nhiên, vẫn có thể đạt được thiết kế hiệu quả, tối ưu, đáng tin cậy và kinh tế dưới những ràng buộc này.

3.5.1.2 Độ suy giảm của không khí

Tham số ảnh hưởng đến chất lượng đường truyền chủ yếu là sự suy hao không khí Ta đi phân tích ảnh hưởng của tham số này

Sự suy giảm công suất laser khi qua môi trường không khí được định nghĩa theo định luật Beers-Lambert:

Trong đó: là hàm truyền ở khoảng cách R

P(R) là công suất ở khoảng cách R

P(0) là công suất ở nguồn phát α là hệ số suy giảm (1/Km)

Những hệ số suy giảm thường gặp : không khí khô = 0.1 (0.43dB/Km), bụi mù= 1 (4.3dB/Km) và sương mù (43dB/Km)

Hệ số suy giảm trong không khí được hình thành từ sự hấp thụ và tán xạ các photon laser bởi các phân tử khí Các bước sóng thường được sử dụng như 785 nm, 850 nm và 1550 nm nằm trong vùng cửa sổ truyền, do đó ảnh hưởng của hệ số hấp thụ là nhỏ so với tổng suy hao Vì vậy, tán xạ đường truyền đóng vai trò chủ yếu trong việc tạo ra hệ số suy giảm.

Loại tán xạ được xác định bởi kích thước hạt cụ thể so với bước sóng truyền

Nó được mô tả bởi số kích thước gọi là tham số kích thước α :

(3.5) Trong đó: r là bán kính hạt tán xạ, λ là bước sóng laser

Bảng 3 2 bán kính của hạt tán xạ trong không khí và tham số kích thước tương ứng của bước sóng laser 785 nm và 1550 nm

Tán xạ Rayleigh xảy ra khi các hạt không khí có kích thước nhỏ hơn bước sóng của laser (785 nm và 1550 nm) do các phân tử khí như COx và NOx trong không khí Hệ số suy giảm ánh sáng thay đổi theo quy luật λ^-4, tuy nhiên, ảnh hưởng của tán xạ này đối với hệ số suy giảm tổng là rất nhỏ.

Khi kích thước hạt gần bằng bước sóng laser, bức xạ tán xạ hạt sẽ diễn ra theo hướng ngược lại với hướng truyền Hiện tượng này được gọi là tán xạ Mie, thường xảy ra do các hạt sương mù nhỏ Đối với tán xạ Mie, mối quan hệ giữa số mũ bước sóng và hệ số suy giảm thay đổi trong khoảng từ -1.6.

Hình 3.8 Tham số kích thước hạt tán xạ

Hình 3.8 trình bày các tham số kích thước hạt tán xạ được nêu trong bảng 3.2, tương ứng với bước sóng laser 785nm và 1550nm, cho các loại tán xạ Rayleigh, Mie và tán xạ không lựa chọn.

Tán xạ thường gặp thứ ba xảy ra khi kích thước hạt lớn hơn bước sóng, được gọi là tán xạ hình học hoặc không có lựa chọn khi tham số kích thước lớn hơn 50 Trong trường hợp này, hệ số suy giảm không phụ thuộc vào bước sóng, với số mũ của bước sóng trong hệ số suy giảm bằng 0 Những hạt tán xạ lớn cho phép mô tả góc bức xạ tán xạ bằng quang hình học Các hiện tượng tự nhiên như mưa rơi, tuyết và sương dày thường gây ra loại tán xạ này.

Lượng tán xạ không khí cho các tuyến thông tin ngắn có thể phụ thuộc vào bước sóng, được gọi là tán xạ Mie, hoặc không phụ thuộc vào bước sóng, được biết đến như tán xạ hình học hoặc không lựa chọn.

3.5.2 Tham số đánh giá chất lượng của tuyến

3.5.2.1 Khả năng sử dụng tuyến

Khả năng sử dụng tuyến là yếu tố then chốt được xem xét khi lắp đặt hệ thống Chịu sự ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố:

 Độ tin cậy của thiết bị Yếu tố này có thể đảm bảo chắc chắn bằng lựa chọn, tính toán, thiết kế

Số liệu thống kê về độ suy giảm không khí là yếu tố quan trọng nhưng chưa được biết đến rộng rãi Những thông tin này được thu thập từ các thiết bị chuyên dụng như thiết bị đo tầm nhìn và lượng mưa, thường được lắp đặt cùng với hệ thống quang không gian Dựa vào dữ liệu từ các thiết bị này, chúng ta có thể tính toán hệ số suy giảm không khí, từ đó ước lượng chính xác khả năng sử dụng tuyến trên một khoảng cách truyền dẫn.

3.5.2.2 Tỉ lệ lỗi bit BER và tốc độ dữ liệu trên khoảng cách truyền

Bài viết phân tích ảnh hưởng của sương mù đến khoảng tầm nhìn, với tòa nhà cách xa khoảng 300m Bức hình bên trái cho thấy không khí khô với hệ số suy hao khoảng 6.5dB/Km, cho phép tầm nhìn lên đến 2000m Trong khi đó, bức hình ở giữa ghi nhận hệ số suy hao 150dB/Km, tương ứng với tầm nhìn khoảng 113m, nơi tòa nhà vẫn còn nhìn thấy Cuối cùng, bức hình bên phải cho thấy hệ số suy hao 225dB/Km, dẫn đến tầm nhìn chỉ còn khoảng 75m, khiến tòa nhà hoàn toàn biến mất.

Sương mù và bão tuyết ảnh hưởng đáng kể đến hệ thống thông tin quang không dây, đặc biệt là tỉ lệ lỗi bit (BER) và tốc độ dữ liệu theo khoảng cách Trong khi hệ thống thông tin cáp quang có đặc tính kênh truyền được hiểu rõ, việc mô hình hóa kênh truyền cho hệ thống quang không dây lại gặp nhiều khó khăn Để tính toán, hệ thống này cần áp dụng lý thuyết thống kê, và đặc tính kênh sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số BER trong chuỗi bit truyền.

Hình 3.10 Hệ số BER trên khoảng cách ở 1,25Gb/s

Hình 3.10 cho thấy rằng, do ảnh hưởng suy hao từ môi trường, khi khoảng cách tăng từ 10m đến 15m, hệ số BER đã thay đổi đáng kể từ 10^-12 đến 10^-6.

Hình 3.11 Tốc độ dữ liệu trên khoảng cách

Hình 3.11 cho thấy tốc độ dữ liệu giảm xuống từ 1,25Gb/s đến 100Mb/s nhưng khoảng cách tăng thêm được 30m

Trong các điều kiện thời tiết khác nhau, thiết kế tối ưu cho hệ thống quang không gian là đẩy các tham số như tốc độ và tỷ số BER đến giới hạn tối đa Việc giảm giá trị của những yếu tố này không mang lại lợi ích trong việc tăng khoảng cách truyền dẫn.

3.5.3 Tham số nâng cao chất lượng của tuyến Điều khiển công suất laser:

Hai yếu tố ảnh hưởng đến thời gian sống của laser diode bán dẫn là:

 Nhiệt độ hoạt động trung bình của diode:

Với diode laser AlGaAs, năng lượng hoạt động là 0.65eV, có thời gian sống tăng hai lần khi nhiệt độ giảm 10 0 C

Hình 3.12: Hàm thời gian sống của diode giảm theo chiều tăng nhiệt độ

 Nhân tố thứ hai là công suất ra trung bình của laser

Hình 3.13: Thời gian sống tỉ lệ nghịch với công suất ra của laser

Lựa chọn tần số

Ánh sáng 800 nm nằm gần vùng hồng ngoại và không thể nhìn thấy được, nhưng khi nó đi vào mắt, sẽ được tập trung với hệ số 100.000 lần, gây nguy hiểm cho võng mạc Đặc biệt, võng mạc không có cảm giác đau, trong khi ánh sáng ở bước sóng 1550 nm bị hấp thụ bởi giác mạc và thủy tinh thể, không hội tụ tại võng mạc.

Chọn bước sóng gần 1550 nm là lựa chọn an toàn cho mắt, với độ an toàn cao gấp 50 lần so với bước sóng 800 nm Bên cạnh đó, công suất sử dụng cho phép cao hơn cũng là một lợi thế, tuy nhiên cần lưu ý đến ảnh hưởng của nó đối với hiệu suất hoạt động khác.

Các bước sóng phổ biến trong kỹ thuật thông tin quang không dây nằm trong khoảng từ 750nm đến 1600nm Đặc điểm vật lý của công suất truyền qua không khí tương tự như các bước sóng trong dải nhìn thấy Tuy nhiên, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn các bước sóng này.

3.6.1 Ảnh hưởng của sự suy giảm không khí tới bước sóng

Mặc dù không khí thường được coi là trong suốt trong ánh sáng nhìn thấy, nhưng các bước sóng từ 750nm đến 1600nm lại bị nước hấp thụ Nước là một thành phần không thể thiếu trong không khí, ngay cả trong điều kiện thời tiết khô.

Hình 3.14 minh họa trục x với bước sóng và trục y thể hiện sự truyền từ 0 đến 1 Thanh đầu tiên cho thấy lượng hấp thụ của nước trong không khí, cho thấy nhiều bước sóng bị ảnh hưởng, đặc biệt trong khoảng 1.3nm đến 1.4nm Thanh thứ hai phản ánh ảnh hưởng của sự hấp thụ từ các loại khí, với mức suy giảm nhỏ có thể được bỏ qua.

Sự hấp thụ của các khí như COx và NOx góp phần làm giảm tín hiệu Tuy nhiên, ảnh hưởng này có thể không đáng kể ở các bước sóng dài hơn 2000nm.

Hình 3.14 Sự phụ thuộc truyền bước sóng vào những điều kiện không khí, được đo ở khoảng cách 1km, tầm nhìn là 200m

Trong điều kiện thời tiết xấu như sương mù và mưa nặng hạt, hiện tượng tán xạ Mie do các hạt nước nhỏ trong không khí gây ra có thể làm giảm nghiêm trọng khả năng truyền sóng Hiện tượng này dẫn đến sự suy giảm mạnh mẽ hơn so với các điều kiện thời tiết khác và ảnh hưởng đồng đều đến tất cả các dải bước sóng.

Thanh cuối cùng cho thấy sự tương tác của nhiều yếu tố, với một số cửa sổ bước sóng gần như trong suốt (độ suy hao < 0.2dB/Km) có khả năng truyền dẫn hiệu quả Các bước sóng này nằm gần 750nm và 1550nm, là lý do chính cho việc sử dụng chúng trong hệ thống FSO.

Nguồn laser công suất cao hoạt động trong vùng 780nm-850nm đã được một số nhà sản xuất cung cấp Các thiết bị laser phát bước sóng 780nm không chỉ rẻ tiền mà còn có tuổi thọ cao khi hoạt động ở công suất lớn Ở bước sóng 850nm, laser rất đáng tin cậy và thường được sử dụng trong mạng quang Ngoài ra, các máy thu APD và laser phát bề mặt tiên tiến (VCSEL) cũng được sản xuất để hoạt động ở bước sóng này.

Bước sóng từ 1520nm đến 1600nm rất phù hợp cho việc truyền tín hiệu qua không gian, với các thành phần thu và phát luôn sẵn sàng Đặc điểm suy hao thấp của chúng giúp phát triển hệ thống WDM-FSO trở nên khả thi hơn Tuy nhiên, các thiết bị này có giá thành cao hơn và máy thu có độ nhạy thấp hơn so với photodiode APD ở bước sóng 850nm.

Các bước sóng này được áp dụng trong hệ thống cáp quang để giảm chi phí và nâng cao hiệu suất của các thiết bị hoạt động trong dải tần này.

3.6.3 Sự an toàn với mắt người

Khi lắp đặt hệ thống thông tin quang không dây, việc đảm bảo an toàn cho mắt người là rất quan trọng do thiết bị phát tạo ra chùm laser vào các khu vực có người sinh sống Bởi vì mắt người có độ nhạy khác nhau đối với hai khoảng bước sóng quang chiếm ưu thế, nên việc xem xét an toàn cho mắt đóng vai trò then chốt trong quá trình phát triển thương mại của công nghệ này.

Hệ thống hoạt động ở hai bước sóng 800 nm và 1550 nm có những đặc điểm khác nhau Chùm laser 800 nm, nằm gần vùng hồng ngoại, có khả năng xuyên qua giác mạc và thủy tinh thể, hội tụ thành một vết nhỏ trên võng mạc Khi ánh sáng này xâm nhập vào mắt, nó có thể gây hại nghiêm trọng cho võng mạc do được tập trung 100.000 lần, nhưng vì võng mạc không có cảm giác đau và ánh sáng ở bước sóng này không gây nháy mắt, tổn thương có thể xảy ra mà nạn nhân không nhận thức được Ngược lại, chùm laser 1550 nm bị hấp thụ bởi giác mạc và thủy tinh thể, do đó không gây hại cho võng mạc.

Có thể thiết kế bộ phát an toàn cho mắt ở hai bước sóng 800 nm và 1550 nm Tuy nhiên, do đặc điểm sinh lý của mắt người, công suất laser an toàn tại 1550 nm cho phép cao hơn khoảng 50 lần so với 800 nm Hệ số này rất quan trọng cho các nhà thiết kế hệ thống, vì việc tăng công suất phát giúp hệ thống truyền tín hiệu qua khoảng cách xa hơn hoặc trong các vùng có suy giảm mạnh, đồng thời hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao hơn.

Kết luận chương

Hệ thống FSO đã được chứng minh là khả thi và mang lại hiệu quả cao trong nhiều lĩnh vực khác nhau Nó đặc biệt hữu ích cho các nhà cung cấp dịch vụ di động, mạng MAN tại các thành phố, cũng như cho các khách hàng trực tiếp có nhu cầu truy cập với dung lượng lớn.

Mặc dù hệ thống FSO gặp phải nhiều vấn đề về đường truyền, yêu cầu an toàn và khả năng hoạt động trong điều kiện xấu, nhưng hầu hết các yếu tố này có thể được khắc phục Bằng cách thiết kế hợp lý, lựa chọn thiết bị phù hợp và điều chỉnh các thông số kỹ thuật, chúng ta có thể đạt được kết quả khả quan cho hệ thống FSO.

THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ TỐI ƯU TUYẾN THÔNG TIN

Giới thiệu chương

Chương này mô tả thiết kế tuyến FSO tại Việt Nam, sử dụng bộ ghép kênh WDM để kết hợp 8 bước sóng tại đầu vào máy phát Các bước sóng này được truyền qua kênh không khí trong khoảng cách 1km, và sau đó được giải ghép để thu được 8 kênh đầu ra.

Dựa trên các thông số như độ nhạy máy thu, khoảng cách tuyến và đặc điểm kênh truyền, chúng tôi xây dựng lưu đồ thuật toán để tính toán và tối ưu hóa công suất phát, tốc độ bit, tỷ lệ lỗi bit (BER) và bước sóng bằng Matlab.

Mô phỏng tuyến được thực hiện bằng phần mềm Optisystem 7.0, và kết quả thu được được so sánh với dữ liệu tối ưu từ chương trình Matlab thông qua đồ thị và số liệu.

Đánh giá điều kiện thời tiết Việt Nam và tính toán suy hao thực tế có thể có đối đường truyền FSO tại Việt Nam

Lãnh thổ Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới, ở phía Đông Nam châu Á, tiếp giáp biển Đông, do đó chịu ảnh hưởng trực tiếp của khí hậu gió mùa Khí hậu tại đây chủ yếu bao gồm mưa, gió và bão.

Việt Nam có ba miền khí hậu chủ yếu, bao gồm: miền khí hậu phía Bắc, miền khí hậu phía Nam, miền khí hậu Trung và Nam Trung Bộ

Miền Bắc Việt Nam có khí hậu nhiệt đới gió mùa với bốn mùa rõ rệt: xuân, hè, thu và đông Mùa xuân bắt đầu từ tháng 2 đến gần hết tháng 4, trong khi mùa hè kéo dài từ tháng 4 đến tháng 9 với nhiệt độ cao và mưa nhiều, đặc biệt tháng 6 là tháng nóng nhất Thời gian từ tháng 5 đến tháng 8 là giai đoạn có lượng mưa lớn nhất trong năm Mùa thu chỉ diễn ra trong hai tháng 9 và 10, thời tiết trong xanh và mát mẻ Cuối cùng, mùa đông từ tháng 11 đến tháng 2 năm sau mang đến khí hậu lạnh và hanh khô.

Miền Nam Việt Nam bao gồm khu vực Tây Nguyên và Nam Bộ, nổi bật với khí hậu nhiệt đới gió mùa Khu vực này trải qua hai mùa rõ rệt: mùa khô và mùa mưa, với mùa mưa thường kéo dài từ tháng này sang tháng khác.

4-5 đến tháng 10-11, mùa khô từ tháng 12 đến hết tháng 3 năm sau) Quanh năm, nhiệt độ của miền này cao, khí hậu miền này ít biến động nhiều trong năm

Khí hậu miền Trung Việt Nam được chia thành hai vùng: Bắc Trung Bộ và Duyên Hải Nam Trung Bộ Vùng Bắc Trung Bộ, nằm phía Bắc đèo Hải Vân, chịu ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc vào mùa đông, dẫn đến thời tiết lạnh và mưa nhiều Sự hiện diện của dãy núi Trường Sơn và dãy Bạch Mã chắn gió mùa Đông Bắc làm tăng cường độ lạnh và độ ẩm trong khu vực này Ngược lại, vào mùa hè, khi không còn hơi nước, gió mùa Tây Nam gây ra thời tiết khô nóng, với nhiệt độ có thể vượt quá 40 °C và độ ẩm không khí thấp, được gọi là gió Lào.

Vùng Duyên hải Nam Trung Bộ là vùng đồng bằng ven biển Nam Trung Bộ phía Nam đèo Hải Vân nóng quanh năm Điều kiện sương mù:

Khi áp dụng công nghệ FSO tại Việt Nam, ảnh hưởng của sương mù là không đáng kể Mặc dù miền Bắc có nhiều ngày sương mù hơn, nhưng mức độ sương mù thường nhẹ và chỉ kéo dài trong thời gian ngắn.

Tại các tỉnh thành phố phía Nam, nơi có sự phát triển đô thị mạnh mẽ nhất cả nước, hiện tượng sương mù gần như không xuất hiện Do đó, khi xem xét việc áp dụng FSO cho một số tuyến kết nối, chúng ta không cần quá lo lắng về điều kiện sương mù.

Hình 4.1 Mô tả ngày sương mù bình quân tại các tỉnh thành trên cả nước

(nguồn từ Trung Tâm Khí Tượng Thủy Văn Quốc Gia ) 4.2.2 Tính toán độ suy hao tuyến FSO thực tế có thể có tại Việt Nam

Tia hồng ngoại và ánh sáng khi truyền qua không khí bị ảnh hưởng bởi sự hấp thụ và tán xạ từ các phần tử trong không khí cũng như các hạt lỏng và rắn Quá trình truyền ánh sáng trong môi trường không khí được mô tả theo định luật Beer-Lambert.

Hàm truyền tổng cộng của không khí ở bước sóng λ được ký hiệu là τ(λ), trong khi công suất tín hiệu ở khoảng cách L từ bộ phát là P(λ,L) và công suất phát tại điểm bắt đầu là P(λ,0) Hệ số suy hao tổng cộng trên 1 đơn vị chiều dài được biểu thị bằng γ(λ).

Hệ số suy hao tổng cộng bao gồm các thành phần suy hao tán xạ và hấp thụ, và trong điều kiện Việt Nam, nó là tổng hợp của các thành phần này.

Suy hao do mưa được tính bằng công thức CARBONNEAU, trong đó αmưa biểu thị sự suy hao do hấp thụ bởi mưa, và β(λ) đại diện cho suy hao do tán xạ tổng quát, không bao gồm sương mù.

(dB/km) (4.3) Để tính suy hao do tán xạ nói chung (không phải sương mù) ta dùng công thức

Các cuộc nghiên cứu và thực nghiệm cho thấy giá trị hệ số q được cho theo độ phân bố kích thước hạt và cho theo công thức:

Và tầm nhìn V thì theo bảng số liệu sau:

Mưa rất to trên 180mm/h, mưa đá

Mưa to 50- 100mm/h, sương mù nhẹ

Mưa vừa nhỏ hơn 50mm/h

Mưa nhỏ đến mưa vừa

4.2.3 Tính toán độ dự trữ công suất và BER tuyến FSO

Tính toán suy hao do mưa theo công thức (4.3) tán xạ theo công thức (4.4)

Loss= αmưa(λ)*range +10*log10[β(λ)*range] (4.5) Độ nhạy công suất máy thu là:

Psen = Nb.r.(hc/λ) (4.6) Với: Nb là độ nhạy máy thu (Photons/Bit) r là tốc độ bit truyền h = hằng số Planck c là tốc độ ánh sang

Ta chỉ chú trọng vào ảnh hưởng đường truyền lên chất lượng thu nên công suất đầu vào mấy thu xác định bằng công thức:

Dựa vào công suất thu của Preceiver, băng thông (bằng 1/2 tốc độ khi áp dụng kỹ thuật điều chế OOK) và bước sóng, chúng ta có thể xác định được tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR).

(Với η là hiệu suất lượng tử bộ thu quang (với bộ tách sóng bằng vật liệu CCD thì η >90%)

Chúng tôi đã nghiên cứu khí hậu Việt Nam và xác định các công thức để đo lường độ suy hao, đồng thời cung cấp các tham số cần thiết để đánh giá chất lượng của tuyến FSO.

4.3 Thiết kế, tính toán và tối ƣu tuyến FSO

4.3.1 Lưu đồ thuật toán, chương trình và kết quả tính toán bằng Matlab

Dựa trên những thông tin có được, ta xây dựng thuật toán tìm phương án tối ưu cho 1 tuyến quang tại Việt Nam

Thông số đầu vào là:

 Khoảng cách tuyến FSO: 1km;

 độ nhạy(photon/bit): 88303 Các yếu tố được kiểm tra cho đường truyền chất lượng tốt nhất là:

- công suất phát : (10dBm - 20dBm)

- tốc độ truyền: 2,048Mbps, 100Mbps, 155Mbps, 625Mbps, 1Gbps, 1,25Gbps

Nhập dữ liệu đầu vào (khoảng cách link, lượng mưa, độ nhạy photon/bit) Tính tầm nhìn (visibility) và hệ số q

2 vòng lặp quét các tốc độ và bước sóng khả dụng Tính độ nhạy máy thu và suy hao tổng

Vòng lặp quét các giá trị công suất khả dụng

Ghi lại thông số Tính BER

Quét hết giá trị Rate, λ

BER < BERmax (rate,bước sóng)

Quét hết giá trị Power

%chuong trinh toi uu hoa kenh FSO

%nhap du lieu dau vao gom

%photon/bit sensivity, luong mua toi da, khoang cach;

% - Nb303; %photon/bit sensivity rain0; %mm/h range=1; %km

%khoi tao gia tri ban dau cho cac bien

Công suất phát được xác định trong khoảng từ 10 dBm đến 25 dBm với bước nhảy 0.5 dBm Bước sóng khả dụng nằm trong khoảng từ 830 nm đến 1550 nm với bước nhảy 10 nm Tốc độ bit được sử dụng là 2.048 Mbps, 100 Mbps, 155 Mbps, 625 Mbps, 1000 Mbps và 1250 Mbps Tầm nhìn được thiết lập là 0, tương ứng với điều kiện thời tiết không thuận lợi Hệ số tính suy hao tan xa được đặt là 0, trong khi hiệu suất lượng tử là 0.9.

BERmax=[ 1 1 1 1 1 1]; %gia tri mac dinh cua BERmax

P_transmit_optimizeRmax; lamda_optimizeRmax; loss=0; extra_V=0; % khong co su can tro tam nhin nao khac RAIN

The visibility in meters is affected by rainfall, with specific equations applied based on varying levels of rain For light rain (0 < rain < 2.5), visibility decreases with a formula of -5422*rain + 19455 As rainfall increases, different equations apply: for moderate rain (2.5 ≤ rain < 12.5), visibility is calculated using -310*rain + 6675 For heavier rain (rain < 50), the formula changes to -36*rain + 2800, while for rain between 100 and a specified threshold, visibility is determined by -4.6*rain + 1230 Finally, for very light rain (rain > 0), visibility is given by -3.375*rain + 1040 These calculations highlight the significant impact of rainfall on visibility conditions.

%cong them extra_visibility neu co visibility=visibility+extra_V;

P_receivecumarray(a,[0 0 0]); %tao 1 matix[6x73x31] [i j k] (rate X lamda X power) toan gia tri 0;

Trong công thức tính suy hao do tán xạ, hệ số q được xác định dựa trên độ rõ (visibility) như sau: Nếu độ rõ lớn hơn 50000, thì q bằng 1.6 Nếu độ rõ nằm trong khoảng từ 6000 đến P000, q bằng 1.3 Khi độ rõ từ 1000 đến 10000, q tính theo công thức 0.16*visibility/1000 + 0.34 Nếu độ rõ nằm trong khoảng từ 500 đến 10000, q được tính là visibility/1000 - 0.5 Cuối cùng, nếu độ rõ nhỏ hơn 500, q sẽ bằng 0.

% - for i=1:6 %vong lap quet cac toc do bit for j=1:73 %vong lap quet cac buoc song tu 830 -> 1550 P_sensitivity(i,j) = Nb*rate(i)*10^6* 6.625*10^(- 34)*3*10^8/(lamda(j)*10^(-9));

%tinh P_sensivity(theo buoc song "lamda" va toc do "rate") P_sensitivity(i,j)= 10*log10(P_sensitivity(i,j)) +30 ; %dBm beta(j)=exp( (3.912*1000/visibility) * ((lamda(j)/550)^(-q ))*range );

%suy hao tan xa chung loss(j)=1.076*(rain^0.67)*range +10*log10(beta(j)); %tinh suy hao tong (theo buoc song lamda) for k=1:31 %vong lap quet cac gia tri cong suat dung duoc

P_receive(i,j,k)=P_transmit(k) - loss(j); %5dBm for magin

%tinh P_receive theo cong suat phat va buoc song SNR=n*lamda(j)*10^(-9)*10^(P_receive(i,j,k)/10)*10^(- 3)/((rate(i)*10^6/2)*6.625*10^(-34)*3*10^8);

SNR*log10(SNR); %ti so tin hieu tren nhieu (dBm) BER(i,j,k)=0.5*erfc((SNR/2)^0.5); %Bit Error Ratio if ((BER(i,j,k)P_sensitivity(i,j))) %10 la do du tru cong suat(dBm))

%kiem tra thoa BER va so voi BERmax de tim to hop toi uu

P_transmit_optimize(i)=P_transmit(k); lamda_optimize(i)=lamda(j); end end end end figure(1); % Vẽ đồ thị BER theo công suất phát ở tốc độ 1.25Gbps,