Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật truyền dẫn rof kết nối cho phân hệ fronthaul của mạng di động tốc độ cao

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Ngô Việt Trung LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) HÀ NỘI - 2021 e HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Ngô Việt Trung NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN RoF KẾT NỐI CHO PHÂN HỆ FRONTHAUL CỦA MẠNG DI ĐỘNG TỐC ĐỘ CAO CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG MÃ SỐ: 8.52.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRƯƠNG CAO DŨNG HÀ NỘI - 2021 e i LỜI CAM ĐOAN Bản luận văn cơng trình nghiên cứu cá nhân tơi, thực dựa sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế hướng dẫn TS Trương Cao Dũng Các số liệu, kết luận luận văn trung thực, dựa nghiên cứu mơ hình, kết đạt nước giới trải nghiệm thân, chưa cơng bố hình thức trước trình bày bảo vệ trước “Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ kỹ thuật” Hà Nội, ngày 10 tháng 12 năm 2021 Tác giả luận văn Ngô Việt Trung e ii LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập nghiên cứu quan tâm, tạo điều kiện giúp đỡ nhiệt tình đầy trách nhiệm Thầy, Cô giáo Khoa Đào tạo Sau Đại học - Học viện Cộng nghệ Bưu Viễn thơng, tơi hoàn thiện luận văn “Nghiên cứu kỹ thuật truyền dẫn RoF kết nối cho phân hệ fronthaul mạng di động tốc độ cao” Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Trương Cao Dũng người hướng dẫn giúp đỡ tơi q trình làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng, thầy cô giáo Khoa Đào tạo Sau Đại học giúp đỡ tạo điều kiện cho suốt q trình học tập Mặc dù có nhiều cố gắng thời gian hạn hẹp, thân cịn nhiều hạn chế Luận văn khơng thể tránh khỏi sai sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến quý thầy, cô bạn Một lần tác giả xin chân thành cảm ơn! Tác giả Ngô Việt Trung e iii MỤC LUC LỜI CAM ĐOAN .i LỜI CẢM ƠN ii LỜI NÓI ĐẦU v DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT vi DANH SÁCH HÌNH VẼ viii GIỚI THIỆU… 1 Đặt vấn đề Tổng quan vấn đề nghiên cứu Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC MẠNG DI ĐỘNG HIỆN NAY 1.1 Giới thiệu kiến trúc mạng di động 3G nay: lược sử, công nghệ sử dụng, kiến trúc mạng, dịch vụ cung cấp 1.1.1 Lịch sử phát triển thông tin di động 1.1.2 Kiến trúc mạng 1.2 Giới thiệu mạng di động 4G triển khai tranh mạng di động sau 4G 5G, 6G: Công nghệ sử dụng sơ đồ kiến trúc hạ tầng 1.2.1 Giới thiệu mạng di động 4G 1.2.2 Kiến trúc mạng 12 1.2.3 Bức tranh mạng di động sau 4G 5G, 6G 14 1.2.4 Mạng di động 6G kiến trúc 15 1.3 Các phân hệ di động 4G, 5G với Fronthaul, Backhaul Systems 20 1.3.1 Các khái niệm 20 1.3.2 Fronthaul, Backhaul system 23 1.4 Kết luận chương 25 CHƯƠNG II CÁC PHƯƠNG PHÁP, CÔNG NGHỆ HIỆN TẠI SỬ DỤNG CÁC KIỂU TRUYỀN DẪN ROF CHO KẾT NỐI FRONTHAUL CỦA MẠNG 4G, 5G 26 2.1 Truyền cho kênh vô tuyến mạng di động 4G, kết nối vô tuyến mạng 4g 26 2.1.1 Các kỹ thuật áp dụng 26 2.1.2 Các lĩnh vực ứng dụng mạng 5G 33 2.1.3 Kiến trúc 5G Fronthaul 36 e iv 2.2 Các yêu cầu tốc độ cho Fronthaul mạng high-speed 4G, đặc biệt 5G, 6G sau (lưu thoát lưu lượng lớn nhanh, trễ, đảm bảo cấu hình vơ tuyến, chuyển giao, bảo vệ lưu lượng nhanh, nâng cao hiệu suất phổ 42 2.2.1 Công nghệ tăng tốc độ 42 2.2.2 Công nghệ để giảm độ trễ Latency 49 2.3 Kết nối C-RAN công nghệ sử dụng kiểu truyền dẫn RoF cho kết nối fronthaul mạng 4G, 5G 51 2.3.1 Mạng cắt lát C-RAN 51 2.3.2 Các xu hướng Fronthaul cho di động 53 2.3.3 Các thách thức mạng Fronthaul 54 2.3.4 Kiến trúc mạng truy cập vơ tuyến điện tốn đám mây / tập trung (C-RAN 57 2.4 Kết luận chương 66 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 67 3.1 Giới thiệu 67 3.2 Thiết kế hệ thống D-ROF hai kênh miêu tả 70 3.3 Kết luận chương 75 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 e v LỜI NÓI ĐẦU Kể từ hệ thống 1G Nordic Mobile Telephone giới thiệu lần vào năm 1981, khoảng 10 năm lại xuất hệ mạng di động mới: 2G bắt đầu tung vào năm 1991, 3G xuất lần đầu vào năm 2001 hệ thống 4G (hoàn toàn tuân thủ tiêu chuẩn "IMT nâng cao") chuẩn hóa vào năm 2012 Sự phát triển hệ thống tiêu chuẩn mạng 2G (GSM) 3G (IMT2000 UMTS) khoảng 10 năm kể từ dự ánnghiên cứu phát triển thức bắt đầu Q trình phát triển hệ thống 4G năm 2001 Các công nghệ làm tiền đề cho hệ thường giới thiệu thị trường từ vài năm trước đó, ví dụ hệ thống CdmaOne/IS95 Mỹ vào năm 1995 xem tiền đề cho 3G; hệ thống Mobile WiMAX Hàn Quốc năm 2006 hệ thống thử nghiệm cho LTE Scandinavia năm 2009 xem tiền đề cho 4G Từ tháng 4/2008, Machine-to-Machine Intelligence (M2Mi) Corp - tổ hợp Công viên nghiên cứu thuộc Cơ quan hàng không vũ trụ Hoa Kỳ (NASA Research Park) lãnh đạo Geoff Brown bắt đầu phát triển 5G Phát triển mạng di động 5G phù hợp với xu phát triển công nghệ chung giới Việt Nam Tiếp cận phát triển mạng di động 5G Việt Nam phải xem xét tổng thể từ nhóm khía cạnh: Kỹ thuật/cơng nghệ; Kinh tế, đầu tư, tài chính, thị trường Tác động mặt xã hội Trong đồ án tập trung vào khía cạnh Kỹ thuật/công nghệ Cụ thể là“Nghiên cứu kỹ thuật truyền dẫn RoF kết nối cho phân hệ fronthaul mạng di động tốc độ cao” Fronthaul thuật ngữ đề cập đến kết nối C-RAN, kiểu kiến trúc mạng di động đơn vị băng tần sở tập trung (BBU), lớp truy cập mạng tới đầu vô tuyến độc lập từ xa trạm gốc Luận văn tập trung e vi trình bày cơng nghệ sử dụng kiểu truyền dẫn RoF cho kết nối fronthaul mạng 4G, 5G, kết nối C-RAN, truyền dẫn RoF cho kết nối fronthaul DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt 5G NR 3GPP UMTS WCDMA C-RAN RoF Tiếng Anh Fifth generation new radio Third generation partnership project Universal Mobile Telecommunications System Wideband Code Division Multiple Acces Tiếng Việt Chuẩn 5G 3GPP Cloud Radio Access Network Mạng truy cập vô tuyến đám mây Dự án hợp tác hệ thứ ba Hệ thống viễn thông di động toàn cầu Đa truy cập phân mã băng rộng Radio on Fiber FDD Vô tuyến qua cáp quang Công nghệ đa truy nhập phân chia Time Division Multiple Access theo thời gian kênh song công phân chia Frequency-Division Duplexing Ghép theo tần số RNC Radio Network Controller TDMA RRH CU CN OFDMA SC-FDMA MIMO PAPR PON GSM GSMA HSPA RF IMT Điều khiển tài nguyên mạng vô tuyến Remote Radio Head Đầu vô tuyến từ xa Center Unit Đơn vị trung tâm Core Network Mạng lõi Orthogonal Frequency Division Phân chia tần số trực giao nhiều Multiple Access người truy cập Single Carrier Frequency Đa truy cập phân chia tần số sóng Division Multiple Access mang đơn Multi Input Multi Output Đa đầu vào đa đầu Peak to Average Power Ratio Tỷ lệ cơng suất đỉnh trung bình Passive Optical Network Mạng quang thụ động Global system for mobile Hệ thống toàn cầu cho liên lạc di communication động GSM association Hiệp hội GSM High speed packet access Truy cập gói tốc độ cao Radio Frequency Tần số vơ tuyến International mobile Viễn thông di động quốc tế telecommunications e vii IoT Internet of things Internet vạn vật ITU-R International telecommunication union-radio sector Liên minh viễn thông quốc tế-lĩnh vực vô tuyến DPSK Differential phase shift keying Điều chế khóa dịch pha sai phân Long term evolution Sự tiến hóa dài hạn Enhanced Mobile Broadband Băng thơng rộng di động nâng cao Massive Machine Type Communications Ultra Reliable Low Latency Communications Giao tiếp kiểu máy khối lượng lớn Remote Radio Unit Đơn vị vô tuyến từ xa DU Distributed Unit Đơn vị phân phối VR Virtual Reality Data Thực tế ảo AR Augmented Reality Thực tế tăng cường CPFSK Continuous phase frequency shift keying Khóa dịch tần pha liên tục IM-DD Intensity Modulation – Direct Detection Kỹ thuật điều chế cường độ phát trực tiếp Forward error correction Mã sửa lỗi trước Pseudorandom bit sequence Chuỗi Bit giả ngẫu nhiên BPF Band pass filter Bộ lọc thông giải LPF Low pass filter Bộ lọc thông thấp TDD Time Division Duplexing Song công phân chia theo thời gian LTE eMBB mMTC ỦRLLC RRU FEC PRBS e Truyền thông thời gian trễ thấp tin cậy cực cao viii DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Sự phát triển hệ thống tới 3G Hình 1.2: Các phần tử mạng hệ thống Hình 1.3: Tổng quan hệ thống 3G UMTS/ WCDMA Hình 1.4: Phiên 3G Rel 99 (UMTS) — 3G Radios Hình 1.5: Phiên 3G Rel.4 (UMTS) — Chuyển mạch mềm Hình 1.6: Tổng quan mạng 4G – LTE 10 Hình 1.7: Kiến trúc mạng 4G 12 Hình 1.8: Kết nối 4G 13 Hình 1.9: Bức tranh tương lai ứng dụng 5G 14 Hình 1.10: Phổ tần 5G Việt Nam 15 Hình 1.11: Kiến trúc hạ tầng đề nghị cho mạng 6G 19 Hình 1.12: Tổng quan hệ thống Fronthaul/Backhaul 23 Hình 1.13: Kiến trúc 4G-CRAN 5G-CRAN 24 Hình 1.14: 4G-RAN 5G-RAN Fronthaul/Backhaul 25 Hình 2.1: Biểu diễn tần số-thời gian tín hiệu OFDM 26 Hình 2.2: Sơ đồ khối DFT-S-OFDM 27 Hình 2.3: Tài nguyên up-link 28 Hình 2.4: Phát & thu hướng lên LTE 29 Hình 2.5: So sánh OFDMA & SC-FDMA truyền chuỗi ký hiệu liệu QPSK……… 30 Hình 2.6: Các chế độ truy nhập kênh vô tuyến 31 Hình 2.7: Các tham số yêu cầu tối thiểu tiêu chuẩn IMT-2020 33 Hình 2.8: Cấu trúc mạng PON thụ động 5G 35 Hình 2.9: eMBB, mMTC, URLLC mạng 5G 37 Hình 2.10: Nút mạng truyền tải Fronthaul 38 Hình 2.11: Cấu trúc truyền tải 5G 40 e 69 ưu tiên so với xử lý tín hiệu RF Sự bùng nổ nhu cầu băng thông mạng phần lớn tăng trưởng lưu lượng truy cập video theo yêu cầu, sử dụng internet thoại qua IP, liệu lớn Radio Over Fiber liên kết quang tương tự truyền tín hiệu RF điều chế Nó truyền tín hiệu RF đường xuống đường lên, đến từ trạm trung tâm (CS) đến trạm gốc (BS) Hình 3.1a Kiến trúc C-RAN Hình 3.1b : Sơ đồ ứng dụng hệ thống RoF Các yêu cầu kiến trúc liên kết RoF hoạt động song công (đường xuống-đường lên), độ dài hợp lý thành phần quang hiệu suất cao e 70 Hiện nay, công nghệ RoF cung cấp tảng thiết yếu để xây dựng giải pháp kiến trúc sáng tạo gọi mạng truy cập vô tuyến điện toán đám mây / tập trung C-RAN (Cloud Radio Access Network) kiểm sốt đơn vị băng tần sở tập trung (BBU) đến từ nhiều trạm gốc (BS) đầu vô tuyến từ xa (RRHs) Khả kết nối BBU với RRH khả thi mặt kinh tế với mạng lưới phân phối gọi 'fronthaul' Các công nghệ RoF ứng cử viên phù hợp cho trình điều chỉnh trước đặc tính mao dẫn vốn có chúng Chẳng hạn, số hệ thống công nghệ trạm gốc nhỏ (smallcell) kiến trúc C-RAN sử dụng kỹ thuật FSO hay RoF để kết nối tới RRH Mục tiêu việc sử dụng RoF nhằm tạo giải pháp đơn giản chi phí thấp để phân phối tín hiệu vơ tuyến từ BS đến đơn vị ăng ten xa Đã có nhiều phiên RoF, chẳng hạn RoF tương tự (A-RoF) Tuy nhiên, chuyển thể có xu hướng phi tuyến tính Việc bù đắp điểm phi tuyến nhiệm vụ đạt phức tạp Các hạn chế trường hợp A-RoF khắc phục cách sử dụng liên kết RoF tương tự kỹ thuật số RoF hệ thống thông tin số (D-RoF) Trong chương này, thiết lập hệ thống thông tin D-RoF với hai kênh vô tuyến sử dụng hai kiểu điều chế pha tiên tiến điều chế khóa dịch pha sai phân DPSK (Differential phase shift keying) khóa dịch tần pha liên tục CPFSK (Continuous phase frequency shift keying) cho kết nối “fronthaul” hệ thống CRAN Kết mô số thực công cụ mô Optisystems với kết đánh giá hiệu thông tin qua tham số chất lượng khảo sát đặc tính BER chứng tỏ hệ thống đáp ứng tốt yêu cầu thông tin 3.2 Thiết kế hệ thống D-ROF hai kênh miêu tả: Sơ đồ thiết lập mô số cho hệ thống RoF sau: e 71 Hình 3.2 Sơ đồ thiết lập mơ số cho hệ thống RoF Một hệ thống RoF mơ tả Hình 3.1 Trong q trình truyền đường xuống, tín hiệu RF điều chế trực tiếp diode laser dẫn đến tín hiệu quang điều chế cường độ CS Sau đó, chúng truyền qua sợi quang đến BS Tại BS, tín hiệu giải điều chế trực tiếp cách sử dụng điốt quang để khơi phục tín hiệu RF Hơn nữa, chúng khuếch đại xạ ăng-ten Dựa quan điểm điều chế tách sóng, công nghệ RoF gọi thuộc kỹ thuật điều chế cường độ phát trực tiếp IM-DD (Intensity Modulation – Direct Detection) Quá trình ngược lại thực trình truyền đường lên, tức BS, tín hiệu RF từ anten điều chế trực tiếp diode laser sau tín hiệu quang thu được truyền qua sợi quang đến CS Tại CS, tín hiệu quang điều chế cường độ giải điều chế trực tiếp cách sử dụng diode quang PD (Photo detector) để khơi phục tín hiệu RF Sau đó, tín hiệu khuếch đại tiếp tục xử lý sâu Hình 3.2 mơ tả sơ đồ nguyên lý hệ thống thông tin RoF hai kênh liệu (CH1 CH2) sử dụng kỹ thuật điều chế số theo khóa dịch pha mà không cần sử dụng mã sửa lỗi trước FEC (Forward error correction) Đầu tiên kênh, phát chuỗi bit giả ngẫu nhiên PRBS (Pseudorandom bit sequence) với tín hiệu xung vng e 72 phát tín hiệu băng gốc (băng sở) tần số fB với tốc độ bitrate Rb sau Bảng Các tham số thiết lập hệ thống Parameter Value Bit Rate: Rb Gbps Frequency f0 193.1 THz Laser power P dBm Length L 20km Attenuation  0.2 dB/km Dispersion D 16.75 ps/nm/km Gain G 20 dB Radio frequency 250 GHz Radio frequency 255 GHz điều chế với sóng mang tần số vơ tuyến RF (Radio frequency) fC sử dụng phương pháp điều chế tín hiệu điện mà đổi tần số mang tần số fC Hai tần số vô tuyến hai kênh fC1=250 GHz fC2=255 GHz Hai kiểu điều chế khóa dịch pha sử dụng giả thiết sử dụng khóa dịch pha vi sai DPSK cho tín hiệu điện phiên khơng kết hợp (non-coherent) PSK điều chế dịch tần pha liên tục CPFSK Kiểu điều chế giúp loại trừ tín hiệu tham chiếu kết hợp thu kiểu điều chế ngồi khơng kết hợp Tín hiệu kênh điều chế sau đưa qua lọc thông dải BPF (Band pass filter) sử dụng lọc Bessel để lọc dải tần mong muốn lấy thành phần tần số khơng muốn Hai tín hiệu RF đưa đến kết hợp để ghép kênh tín hiệu hai phổ RF tương ứng với hai tần số cao tần fC1 fC2 Tín hiệu lọc BPF sau kết hợp kết hợp (Combiner) hai đầu vào đầu đưa qua điều chế để đổi tần số sóng mang qua tần số quang tần số f0 e 73 = 193.1 THz tương ứng với bước sóng λ0=1/f0= 1552.52 nm Bộ điều chế quang sử dụng điều chế Mach-Zehnder Modulator (MZM) Bộ điều chế cấu xây dựng giao thoa kế Mach-Zehnder Interferometer (MZI) Theo đó, nguồn laser sóng liên tục phát tín hiệu phổ quang laser hẹp bước sóng 1552.52 nm nhờ cấu laser bán dẫn Sau đó, tín hiệu quang ghép vào giao thoa kế MZI theo cấu bán dẫn phát cạnh ghép qua cách tử nhiễu xạ Bragg với phổ truyền qua thiết kế cho bước sóng 1550 nm vượt qua Tiếp theo, cấu giao thoa kế chia đơi đường quang đối xứng có hiệu quang trình bội số 2π Tín hiệu nhánh quang qua cấu dịch pha điều khiển điện áp mà nguồn điện áp tác động tín hiệu sóng mang RF từ kênh đầu kết hợp Sau qua điều chế MZM, hai dải biên (sideband) sóng mang tín hiệu kênh RF phía biên thấp biên cao f  f0  fc  f B Dải biên quang phía lọc lọc thơng dải quang (OBPF) có tần số f0  f băng thơng 1.5*Rb Sau đó, tín hiệu quang truyền qua kênh truyền sử dụng sợi quang đơn mode với chiều dài L=20km hệ số suy hao thấp giả thiết mức α  0.2 dB/km Một khuếch đại EDFA với hệ số tăng ích G= 20 dB sử dụng để khuếch đại tín hiệu quang nhằm bù suy hao e 74 Hình 3.3 a,b: Giản đồ mắt cho hai kênh thông tin với hai kiểu điều chế cao cấp DPSK CPFSK: (a,b) cho điều chế DPSK với kênh CH1 CH2, (c,d) cho điều chế CPFSK với kênh CH1 CH2 Giả thiết sợi quang đơn mode có hệ số tán sắc trung bình tiêu chuẩn D = 16.75 ps/nm/km khơng cần bố trí bù tán sắc khoảng cách L=20 km khoảng cách tương đối ngắn Ở đầu thu, khuếch đại quang đưa qua lọc thông dải quang (OBPF) với tần số trung tâm 193.12 THz để lọc dải bên tín hiệu quang, sau đưa vào tách sóng thu quang sử dụng photodiode kiểu PIN Bộ tách sóng quang giải điều chế tín hiệu quang lọc chuyển đổi tín hiệu quang trực tiếp thành tín hiệu băng gốc Một lọc thông thấp LPF (Low pass filter) sử dụng để loại bỏ thành phần tần số cao đầu tín hiệu liệu cần tách sóng đầu đưa đến phận có tính tái tạo tín hiệu, định thời lại tạo dạng lại tín hiệu 3R (Reamplifying, Reshaping, Retiming), đồng thời quan sát chất lượng tín hiệu cách sử e 75 dụng phân tích BER Analyzer Eye Diagram Analyzer Các tham số thiết kế cho hệ thống thông tin mô tả Bảng 3.1 3.3 Đánh giá kết mô đặc tính hóa hiệu năng: Mơ số sử dụng cơng cụ mơ thương mại hóa Optisystem cho hệ thống hai kênh vô tuyến thiết lập hoạt động tín hiệu số băng gốc tốc độ Rb= Gb/s phần tín hiệu vơ tuyến điều chế hai sóng mang RF 250 GHz 255 GHz sau biến điệu vào tín hiệu quang bước sóng 1550 nm thơng qua điều chế quang ngồi MZM Sau đó, tín hiệu lọc đưa qua tách sóng quang chuyển đổi trực tiếp tín hiệu quang thành tín hiệu băng tần sở Bộ lọc thông thấp với tần số cắt 0.75 * Tốc độ bit (Hz) sử dụng để lọc thành phần tần số cao cuối nhận liệu truyền ban đầu Trong hệ thống thông tin số đặc biệt hệ thống thông tin quang, mẫu mắt (eye pattern) hay giản đồ mắt (eye diagram) hệ thống thơng tin tiến trình mơ cho hai kiểu điều chế cao cấp DPSK CPFSK Giản đồ mắt hình hiển thị dao động ký tín hiệu kỹ thuật số từ máy thu lấy mẫu lặp lặp lại áp dụng cho đầu vào dọc, tốc độ liệu sử dụng để kích hoạt qt ngang Nó gọi vì, số kiểu mã hóa, mơ hình trơng giống chuỗi mắt cặp đường ray Giản đồ mắt công cụ hữu hiệu đặc trưng để đánh giá tác động tổng hợp nhiễu kênh, phân tán nhiễu ký hiệu hiệu suất hệ thống truyền xung băng tần sở Từ góc độ tốn học, mẫu mắt hình ảnh hàm mật độ xác suất PDF (Probability distribution function) tín hiệu, mơ đun hóa khoảng đơn vị (UI) Nói cách khác, cho thấy xác suất tín hiệu điện áp suốt thời gian giao diện người dùng Thông thường, đường dốc màu vẽ nên để áp dụng cho PDF nhằm tạo khác biệt nhỏ độ sáng dễ hình dung Hình 3.3 (a, b) thể giản đồ mắt cho kênh CH1 CH2 tương ứng với kiểu điều chế số DPSK tham số thiết kế liệt kê Bảng Chúng ta thấy rằng, tham số chất lượng Q (Q-factor) hai kênh biến đổi với dáng e 76 điệu mẫu bit gần giống kênh CH1 có chất lượng cao kênh CH2 chút Chẳng hạn, kênh CH1 đạt Q tốt 9.78 tương ứng tỉ số lỗi bit BER 6.44 1023 , kênh CH2 đạt Q cực đại 9.61 tương ứng với giá trị BER thấp 3.22 1022 , xấu lần kênh CH1 Bên cạnh đó, với kiểu điều chế DPSK, mẫu tín hiệu cho thấy nhiều trường hợp, Q biến động rộng từ khoảng 5.2 tới xấp xỉ 9.8 cho hai kênh giá trị Q tập trung phần lớn xung quanh giá trị 6.9 Một đặc điểm mắt đục mà điều dễ quan sát khoảng cách mức “1” “0” gần nhau, cho thấy mức nhiễu ảnh hưởng mạnh làm giảm cấp chất lượng đến kênh vơ tuyến Hình 3(c,d) thể giản đồ mắt cho kênh CH1 CH2 tương ứng với kiểu điều chế số CPFSK Có thể quan sát trực quan rằng, Tham số Q kiểu điều chế cho thấy giá trị cao so với điều chế DPSK đó, giá trị BER tối thiểu đạt chất lượng tốt nhiều so sánh với kiểu điều chế DPSK Mặt khác, thấy, giản đồ mắt tín hiệu CPFSK trong, cho thấy mức phân biệt rõ mức logic “1” mức logic “0” Cụ thể, Q mức “1” biến đổi từ 11 đến 13, Q mức “0” biến đổi từ 2.5 đến hai kênh CH1 CH2, điều cho thấy mức nhiễu thấp Cũng vậy, khoảng cách tối thiểu tham số Q mức “1” “0” đảm bảo không nhỏ 7.5 dB cho thấy tỷ số OSNR tốt trường hợp điều chế CPFSK Mặt khác, mức độ mức độ biến đổi mtức độ rung động Q theo trục thời gian khoảng 20% chu kỳ bit nhỏ, thể tham số rung pha jitter tín hiệu thấp Để đặc tính hóa phương diện thơng tin, khảo sát tham số chất lượng quan trọng thông tin tỉ số lỗi bit BER theo phụ thuộc vào tốc độ tải trọng thông tin tốc độ bit Rb mức công suất phát laser P Quan hệ BER tham số chất lượng Q xấp xỉ theo hàm bù lỗi sau: e 77 Hình 3.4 Tỷ lệ lỗi bit BER hàm số tốc độ bit Rb Hình 3.4 thể hành vi biến đổi BER hàm số Rb ta giữ mức phát P=0 dBm Đối với điều chế DPSK, Hình 4(a) cho thấy rằng, hai kênh BER biến đổi gần Cụ thể, tốc độ Rb tăng từ 1÷3 Gb/s, BER giảm mạnh Tuy nhiên, Rb từ 3÷4 Gb/s BER biến đổi nhỏ khơng đáng kể cho thấy ổn định tải trọng tốc độ Khi Rb từ 4÷5 Gb/s, BER xấu với tốc độ lớn Để đảm bảo mức yêu cầu BER tối thiểu 109 , tốc độ Rb  2.8 Gb/s Rõ ràng tốc độ tăng chu kỳ bit giảm mức lượng trung bình bit giảm, hiệu ứng rung pha tăng phân biệt mức “1” “0” giảm (SNR giảm) nên xác suất thu xác giảm BER tăng Hình 3.4(b) thể BER hàm Rb cho hai kênh kiểu điều chế CPFSK, chúng hàm tăng theo Rb Càng tăng tốc độ bit, BER giảm mạnh Khi  Rb  2.3 Gb/s BER CH1 nhỏ CH2, tức với tần số fc1  fc Ngược lại, 2.3  Rb  Gb/s, BER e 78 kênh vơ tuyến có tần số sóng mang nhỏ lại xấu kênh có tần số sóng mang cao (vì fc1  fc ) Yếu tố cơng suất phát laser hệ thống thông tin quang quan trọng, ảnh hưởng đến mức thu OSNR nói chung hệ thống thu Như biết, mức công suất laser bán dẫn dùng thông tin quang cửa sổ thứ ba (cửa sổ 1550 nm) thường xung quanh mức mW (0 dBm) Hình 3.5 thể khảo sát BER kênh theo mức công suất phát P laser liên tục trước điều chế cố định tốc độ bit cho kênh sở mức Rb=1 Gb/s Nhìn chung, biến đổi BER hai kênh cho hai điều chế gần gũi giống nhau, công suất tăng BER tốt (nhỏ hơn) sau tăng Cụ thể, với điều chế DPSK, P tăng từ -2÷1 dBm BER giảm dần tốt lên qua mức công suất tăng BER lại xấu với độ dốc cao, thể Hình 3.5(a) Với điều chế CPFSK, P tăng từ -2÷0 dBm BER ngày tốt qua mức này, tăng mức phát BER lại giảm tốc độ thấp tốc độ biến đổi so với DPSK, thấy Hình 3.5(b) Điều lý giải sau: ban đầu mức công suất thấp, hiệu ứng phi tuyến (như hiệu ứng tự điều chế pha điều chế pha chéo) kết hợp tán sắc sợi chưa lớn, tăng công suất cải thiện tỷ số OSNR BER tốt lên Trái lại, qua mức công suất tới hạn, tăng mức công suất phát làm hiệu ứng phi tuyến kết hợp hiệu ứng tán sắc tăng nhanh, tích lũy vào méo tín hiệu tăng chồng lấn xung gia tăng e 79 Hình 3.5 Tỷ lệ lỗi bit BER hàm số mức công suất phát laser P vượt giới hạn mà tăng mức cơng suất tỷ số tín hiệu khơng bù đắp được, kết gia tăng giảm cấp tín hiệu BER tăng Với nhiều kênh, hiệu ứng tăng mạnh hệ thống có hai kênh mơ hình báo Thêm vào đó, ta thấy với DPSK, mức phát lý tưởng dBm, đó, với CPFSK mức phát tối ưu để có BER thấp phải dBm Cuối cùng, với dự trữ công suất tốt chứng tỏ hệ thống hoạt động khoảng cách xa 20 km mà không cần bù tán sắc mà đảm bảo tốc độ bit truy cập cỡ Gb/s Kết luận, chương trình bày nghiên cứu đề xuất cấu trúc hệ thống vô tuyến qua sợi quang sử dụng điều chế số cao cấp DPSK CPFSK không cần mã sửa lỗi trước qua khoảng cách lên đến 20 km Kết mô số thực e 80 qua công cụ mô Optisystems cho thấy hệ thống đạt tốc độ lên đến 2,8 G/s mà không cần bù tán sắc giữ mức công suất phát laser bán dẫn mức tiêu chuẩn dBm Kết mô cho thấy hai điều chế số đảm bảo hoạt động hiệu suất sử dụng băng thông cao điều chế CPFSK tốt DPSK Đề xuất mơ hình mạng thông tin hữu dụng cho ứng dụng hệ thống kết nối khối BBU với RRH mạng truy nhập vô tuyến đám mây C-RAN băng rộng hệ e 81 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Xu hướng tương lai kết hợp kỹ thuật công nghệ, ứng dụng công nghệ nâng cao, tiên tiến nhất, nhà thông minh, lĩnh vực y tế, an ninh,… Với tiến công nghệ, phương thức truyền dẫn mạng di động tốc độ cao ngày trở nên quan trọng Ví dụ: Trong nhà máy tương lai Robot thực thay cho người, với tốc độ truyền ưu việt, mạng 5G cho phép hệ thống IoT theo dõi liên tục tình trạng hiệu suất thiết bị Nghiên cứu phát triển thực lĩnh vực khác liên quan đến công nghệ mạng viễn thông tốc độ cao Kết đạt Luận văn phân tích làm rõ kỹ thuật truyền dẫn RoF kết nối cho phân hệ fronthaul mạng di động tốc độ cao xu hướng tương lai ứng dụng mạng di động tốc độ cao hệ sau 4G 5G, 6G Hướng phát triển Luận văn hữu ích cho mục đích nghiên cứu theo cách mà người đọc có nhìn tổng quan chi tiết kỹ thuật RoF cho mạng hệ sau 5G tương lai mạng 6G Các ứng dụng áp dụng tương lai gần e 82 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Yu, Z., Yan, G., Zhang, Q., & Lv, S (2010) A novel design of WiMAX system based on RoF WOCC2010 Technical Program - The 19th Annual Wireless and Optical Communications Conference: Converging Communications Around the Pacific [2] Zakrzewski, Z (2020) D-RoF and A-RoF interfaces in an all-optical fronthaul of 5G mobile systems Applied Sciences (Switzerland), 10(4) [3] Zhang, R., Lu, F., Xu, M., Liu, S., Peng, P C., Shen, S., He, J., Cho, H J., Zhou, Q., Yao, S., & Chang, G K (2018) An Ultra-Reliable MMW/FSO A-RoF System Based on Coordinated Mapping and Combining Technique for 5G and beyond Mobile Fronthaul Journal of Lightwave Technology, 36(20), 4952–4959 [4] Aragón-Zavala, A., Castón, G., & Beas, J (2011) Radio-over-fiber systems for wireless communications Recent Patents on Electrical Engineering, 4(2), 114–124 [5] Dat, P T., Kanno, A., Umezawa, T., Yamamoto, N., & Kawanishi, T (2017) Millimeter- and terahertz-wave radio-over-fiber for 5G and beyond Summer Topicals Meeting Series, SUM 2017, 165–166 [6] Huang, X., Zhang, J A., Liu, R P., Guo, Y J., & Hanzo, L (2019) Airplane-Aided Integrated Networking for 6G Wireless: Will It Work? IEEE Vehicular Technology Magazine, 14(3), 84–91 [7] Kanno, A., & Kawanishi, T (2019) Radio over Fiber System for Uninterrupted High-Speed Railway Communications OECC/PSC 2019 24th OptoElectronics and Communications Conference/International Conference Photonics in Switching and Computing 2019, 1–2 [8] Kanno, A., Yonemoto, N., Sato, Y., Fujii, M., Yanatori, K., Shibagaki, N., Kashima, K., Dat, P T., Yamamoto, N., Kawanishi, T., Iwasawa, N., Iwaki, N., Nakamura, K., Kawasaki, K., & Kanada, N (2020) HighSpeed Railway Communication System Using Linear-Cell-Based RadioOver-Fiber Network and Its Field Trial in 90-GHz Bands Journal of Lightwave Technology, 38(1), 112–122 [9] Kim, J., Sung, M., Cho, S H., Won, Y J., Lim, B C., Pyun, S Y., Lee, J K., & Lee, J H (2020) MIMO-Supporting Radio-Over-Fiber System and its Application in mmWave-Based Indoor 5G Mobile Network Journal of Lightwave Technology, 38(1), 101–111 e 83 [10] Novak, D., Waterhouse, R B., Nirmalathas, A., Lim, C., Gamage, P A., Clark, T R., Dennis, M L., & Nanzer, J A (2016) Radio-over-fiber technologies for emerging wireless systems IEEE Journal of Quantum Electronics, 52(1) [11] Perez-Galacho, D., Sartiano, D., & Sales, S (2019) Analog radio over fiber links for future 5g radio access networks International Conference on Transparent Optical Networks, 2019-July, 1–4 [12] Raaf, B., Zirwas, W., Friederichs, K J., Tiirola, E., Laitila, M., Marsch, P., & Wichman, R (2011) Vision for Beyond 4G broadband radio systems IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, PIMRC, 2369–2373 [13] Sung, M., Lee, J H., Kim, J., Kim, E S., Cho, S H., Won, Y J., Lim, B C., Pyun, S Y., Lee, H., & Lee, J K (2020) RoF-Based Radio Access Network for 5G Mobile Communication Systems in 28 GHz MillimeterWave Journal of Lightwave Technology, 38(2), 409–420 [14] Tan, H., Wu, Y., Shen, B., Jin, P J., & Ran, B (2016) Short-Term Traffic Prediction Based on Dynamic Tensor Completion IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 17(8), 2123–2133 [15] Uko, M., Umoren, M., & Enyenihi, J (2016) Effect of Shadowing and Multipath Fading on the Area Spectral for Cell-Edge Users in Heterogeneous Networks Nigerian Journal of Technology, 35(2), 409 e ... đề tài luận văn ? ?Nghiên cứu kỹ thuật truyền dẫn RoF kết nối cho phân hệ fronthaul mạng di động tốc độ cao? ?? Chủ đề Luận văn nói cơng nghệ sử dụng kiểu truyền dẫn RoF cho kết nối fronthaul mạng 4G,... thuật/ cơng nghệ Cụ thể là? ?Nghiên cứu kỹ thuật truyền dẫn RoF kết nối cho phân hệ fronthaul mạng di động tốc độ cao? ?? Fronthaul thuật ngữ đề cập đến kết nối C-RAN, kiểu kiến trúc mạng di động đơn vị... VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Ngô Việt Trung NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN RoF KẾT NỐI CHO PHÂN HỆ FRONTHAUL CỦA MẠNG DI ĐỘNG TỐC ĐỘ CAO CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN