Bài Giảng Công Nghệ Truyền Tải Quang

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG          BÀI GIẢNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI QUANG (Lưu hành nội bộ) i MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI WDM[.]

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG  BÀI GIẢNG CƠNG NGHỆ TRUYỀN TẢI QUANG (Lưu hành nội bộ) - MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1- CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI WDM 1.1 TỔNG QUAN VÀ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN 1.1.1 Tổng quan 1.1.2 Các giai đoạn phát triển 1.2 NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG WDM 1.2.1 Giới thiệu chung 1.2.2 Sơ đồ khối tổng quát nguyên lý ghép kênh quang phân chia theo bước sóng (WDM) 1.2.3 Các đặc điểm tham số hệ thống WDM 10 1.2.4 Phân loại chuẩn hệ thống WDM 13 1.3 CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG WDM 15 1.3.1 Nguồn quang thu quang 15 1.3.2 Ghép tách kênh bước sóng quang 16 1.3.3 Sợi quang 31 1.3.4 Khuếch đại quang đa kênh 32 1.3.5 Một số phần tử khác 32 1.4 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG WDM 34 1.4.1 Băng thông khuếch đại 34 1.4.2 Xuyên kênh tuyến tính phi tuyến 35 1.4.3 Cân bù tán sắc kênh quang 41 1.5 MẠNG TRUYỀN TẢI WDM 43 1.5.1 Phân loại 44 1.5.2 Các phần tử mạng truyền tải WDM 44 1.5.3 Quản lý bảo vệ mạng WDM 45 1.6 TỔNG KẾT 48 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 49 CHƯƠNG - KHUẾCH ĐẠI QUANG 50 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 50 2.1.1 Mô hình nguyên lý hoạt động chung khuếch đại quang 50 i 2.1.2 Các tham số khuếch đại quang 53 2.1.3 Phân loại khuếch đại quang 55 2.2 BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN (SOA) 56 2.2.1 Cấu trúc 56 2.2.2 Nguyên lý hoạt động 57 2.2.3 Các đặc tính tham số 57 2.2.4 Các SOA 61 2.2.5 Ứng dụng SOA 61 2.3 BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG RAMAN (RA) 62 2.3.1 Cấu trúc 62 2.3.2 Nguyên lý hoạt động 62 2.3.3 Các phương pháp bơm 63 2.3.4 Các tham số 64 2.3.5 Ứng dụng RA 68 2.4 BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TRỘN ERBIUM (EDFA) 69 2.4.1 Cấu trúc 69 2.4.2 Nguyên lý hoạt động 70 2.4.3 Yêu cầu nguồn bơm 72 2.4.4 Các tham số 74 2.4.5 Ứng dụng EDFA 82 2.5 SO SÁNH CÁC LOẠI BỘ KHUẾCH ĐẠI 86 2.5.1 Ưu nhược điểm khuếch đại quang SOA 86 2.5.2 Ưu nhược điểm khuếch đại quang Raman 87 2.5.3 Ưu nhược điểm khuếch đại quang EDFA 87 2.6 TỔNG KẾT 88 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 89 CHƯƠNG – BÙ TÁN SẮC 91 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG 91 3.1.1 Khái niệm tán sắc 91 3.1.2 Ảnh hưởng tán sắc 92 3.1.3 Phân loại kỹ thuật bù tán sắc 92 3.2 CÁC KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC 94 3.2.1 Kỹ thuật bù điện 94 ii 3.2.2 Kỹ thuật bù quang 101 3.3 SO SÁNH CÁC KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC 115 3.3.1 Ưu nhược điểm kỹ thuật bù trước 115 3.3.2 Ưu nhược điểm kỹ thuật bù sau 116 3.3.3 Ưu nhược điểm kỹ thuật bù quang 116 3.4 TỔNG KẾT 116 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 117 CHƯƠNG - TRUYỀN TẢI IP/WDM 118 4.1 XU HƯỚNG TÍCH HỢP IP TRÊN WDM 118 4.1.1 Tổng quan 118 4.1.2 Sự phát triển lưu lượng công nghệ IP 119 4.1.3 Sự phát triển công nghệ WDM 120 4.1.4 Tích hợp cơng nghệ IP cơng nghệ WDM 120 4.2 GIAO THỨC IP 121 4.2.1 Tổng quan 121 4.2.2 Phiên IPv4 122 4.2.3 Phiên IPv6 123 4.3 CÁC KỸ THUẬT TRUYỀN TẢI QUANG WDM 124 4.3.1 Tổng hợp công nghệ truyền tải quang 124 4.4 CÁC KIẾN TRÚC TRUYỀN TẢI IP/ WDM 127 4.4.1 Tổng quan 127 4.4.2 Các kiến trúc IP/ WDM 129 4.4.3 Chức số tầng kiến trúc IP/ WDM 130 4.5 CÁC GIAI ĐOẠN PHÁT TRIỂN IP/ WDM 136 4.5.1 Giai đoạn IP/ATM/SDH /WDM 136 4.5.2 Giai đoạn IP/SDH /WDM 136 4.5.3 Giai đoạn IP/WDM 137 4.6 CÁC MÔ HÌNH KẾT NỐI MẠNG IP/ WDM 137 4.6.1 Phân loại 137 4.6.2 Mơ hình kết nối mạng IP/ WDM điểm - điểm 138 4.6.3 Mơ hình kết nối mạng IP/ WDM tái cấu hình 139 4.6.4 Mơ hình kết nối mạng IP/ WDM chuyển mạch 140 4.7 CÁC MƠ HÌNH DỊCH VỤ MẠNG IP/ WDM 142 iii 4.7.1 Mơ hình dịch vụ miền 143 4.7.2 Mơ hình dịch vụ hợp 144 4.7.3 Các dịch vụ 145 4.8 TỔNG KẾT 146 CÂU HỎI 147 CHƯƠNG – MẠNG TRUY NHẬP QUANG FTTx 148 5.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUY NHẬP QUANG FTTx 148 5.1.1 Khái niệm 148 5.1.2 Ưu nhược điểm FTTx 148 5.1.3 Các ứng dụng FTTx 149 5.2 CẤU HÌNH CỦA MẠNG TRUY NHẬP QUANG FTTx 150 5.2.1 Cấu hình mạng truy nhập quang FTTx 150 5.2.2 Cấu hình tham chiếu mạng truy nhập quang FTTx 152 5.2.3 Các khối chức mạng truy nhập quang FTTx 153 5.3 CÁC PHƯƠNG THỨC TRUY NHẬP QUANG FTTx 157 5.3.1 Phương thức FTTC 157 5.3.2 Phương thức FTTB 157 5.3.3 Phương thức FTTO 159 5.3.4 Phương thức FTTH 160 5.4 CÁC CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG TRONG MẠNG TRUY NHẬP QUANG FTTx 160 5.4.1 Tổng quanvề công nghệ sử dụng mạng truy nhập quang FTTx 160 5.4.2 Cơng nghệ truy nhập quang tích cực AON 161 5.4.3 Công nghệ truy nhập quang thụ động PON 163 5.5 TỔNG KẾT 165 CÂU HỎI 166 CHƯƠNG – QUẢN LÝ VÀ ĐIỀU KHIỂN MẠNG QUANG 167 6.1 TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÝ VÀ ĐIỀU KHIỂN TRONG MẠNG QUANG 167 6.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRONG MẠNG QUANG 168 6.2.1 Báo hiệu mạng quang 168 6.2.2 Các phương pháp điều khiển mạng quang 178 iv 6.2.3 Định tuyến mạng gán bước sóng mạng quang 185 6.3 CÁC CƠNG NGHỆ ĐIỀU KHIỂN TRONG MẠNG QUANG 204 6.3.1 ASON 204 6.3.2 GMPLS 206 6.4 BẢO VỆ VÀ HỒI PHỤC TRONG MẠNG QUANG 209 6.4.1 Mơ hình bảo vệ phục hồi mạng quang 209 6.4.2 Các phương pháp bảo vệ mạng quang 211 6.4.3 Phục hồi mạng quang 219 6.5 TỔNG KẾT 221 CÂU HỎI 222 CHƯƠNG – MỘT SỐ CÔNG NGHỆ QUANG TIÊN TIẾN 223 7.1 CHUYỂN MẠCH QUANG 223 7.1.1 Vai trò chuyển mạch quang 223 7.1.2 Phân loại chuyển mạch quang 225 7.1.3 Các kỹ thuật chuyển mạch quang 233 7.2 HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERENT 240 7.2.1 Khái niệm thông tin quang Coherent 240 7.2.2 Các điều chế quang Coherent 242 7.2.3 Nguyên lý tách sóng quang coherent 242 7.2.4 Máy thu quang Coherent 245 7.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhậy thu hệ thống tin quang Coherent 246 7.2.6 BER hệ thống tin quang Coherent 247 7.3 HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SOLITON 248 7.3.1 Solitonsợi quang 248 7.3.2 Truyền thông cở sở Soliton 259 7.3.3 Các vấn đề hệ thống Soliton WDM 254 7.4 RoF 261 7.4.1 Mơ hình tổng qt sử dụng cơng nghệ RoF 261 7.4.2 Các thành phần tuyến quang sử dụng RoF 262 7.4.3 Các kỹ thuật truyền sóng vơ tuyến qua sợi quang 265 7.4.4 Ứng dụng công nghệ RoF 269 7.5 TRUYỀN DẪN QUANG TRÊN KÊNH VÔ TUYẾN 275 v 7.5.1 Mơ hình tổng qt 279 7.5.2 Các thành phần 283 7.5.3 Các kỹ thuật truyền tải quang kênh vô tuyến 287 7.5.4 Ứng dụng kỹ thuật truyền tải quang kênh vô tuyến 294 7.6 KẾT LUẬN 294 CÂU HỎI 296 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 297 TÀI LIỆU THAM KHẢO 303 vi Chương 1- Cơng nghệ truyền tải WDM - CHƯƠNG I CƠNG NGHỆ TRUYỀN TẢI WDM 1.1 TỔNG QUAN VÀ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN 1.1.1 Tổng quan Với phát triển nhanh chóng mơ hình truyền số liệu, đặc biệt Internet làm bùng nổ nhu cầu tăng băng thông (xem hình 1.1) Trong bối cảnh IP (Internet Protocol) lên tảng chung loại hình dịch vụ tương lai, nhà cung cấp dịch vụ truyền dẫn bắt buộc phải xem xét lại phương thức truyền dẫn TDM truyền thống, vốn tối ưu cho truyền thoại lại hiệu việc tận dụng băng thơng Lưu lượng Dữ liệu 250 200 150 100 Thoaï i 50 1996 1997 1998 1999 2000 2001 Nă m Hình 1.1 Tương quan nhu cầu truyền thoại truyền số liệu Như vậy, phải giải tốn tăng băng thơng cho viễn thơng tương lai Các nhà cung cấp dịch vụ truyền dẫn bắt đầu xét đến ba phương thức truyền dẫn sau: Truyền dẫn ghép theo không gian SDM (Space Devision Multiplexing): đơn giản không cần phát triển công nghệ, đơn tăng số lượng sợi quang, tốc độ truyền dẫn giữ nguyên Ta chọn SDM tuyến truyền dẫn cần tăng băng thông có sẵn số lượng sợi quang chưa dùng khoảng cách tuyến truyền dẫn đủ ngắn để không cần dùng lặp, khuếch đại Nếu khoảng cách lớn, chi phí tăng hệ thống lắp thêm cần số lượng lặp, khuyếch đại hệ thống cũ Truyền dẫn ghép theo thời gian TDM (Time Devision Multiplexing): tăng tốc độ truyền dẫn lên sợi quang Khi tiếp tục dùng phương thức truyền thống này, Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng Chương 1- Cơng nghệ truyền tải WDM ta phải xem xét đến hai vấn đề: trước truyền sợi quang Trước chuyển thành tín hiệu quang để truyền đi, linh kiện điện tử có khả xử lí với tốc độ bit tối đa bao nhiêu? Thực tế cho thấy, đa số mạng truyền dẫn, linh kiện điện tử có khả đáp ứng tốt dịng tín hiệu tốc độ 10 Gb/s 40 Gb/s Như chưa giải trọn vẹn tốn tăng băng thơng Trong phịng thí nghiệm cho linh kiện hoạt động tốc độ 80 Gbps 160 Gb/s Ðể TDM đạt tốc độ cao hơn, phương pháp thực tách/ghép kênh miền quang, gọi phân kênh thời gian miền quang (Optical time Division Multiplexing - OTDM) tích cực triển khai Các kết qủa nghiên cứu phịng thí nghiệm cho thấy OTDM ghép luồng 10Gbit/s thành luồng 250Gbit/s Nhưng đó, truyền sợi quang gặp phải vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn: tán sắc sắc thể, tán sắc phân cực, phi tuyến tính Truyền dẫn ghép phân chia bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing): ghép nhiều bước sóng để truyền sợi quang, không cần tăng tốc độ truyền dẫn bước sóng Cơng nghệ WDM mang đến giải pháp hồn thiện điều kiện cơng nghệ Thứ giữ tốc độ xử lý linh kiện điện tử mức 10 Gbps, bảo đảm thích hợp với sợi quang Thay vào đó, cơng nghệ WDM tăng băng thông cách tận dụng cửa sổ làm việc sợi quang khoảng bước sóng 1260 nm đến 1675 nm 1.1.2 Các giai đoạn phát triển Trong khoảng ba thập kỷ công nghệ truyền dẫn quang WDM có phát triển vượt bậc Sự phát triển có nhờ cơng nghệ chế tạo thiết bị hay cụ thể công nghệ chế tạo linh kiện quang Những thành tựu công nghệ góp phần tạo nên hệ thống truyền dẫn WDM dung lượng lớn ngày Theo thời gian xuất phát từ yêu cầu thực tế hệ thống WDM ngày phức tạp chức Do cấu hình hệ thống WDM chuyển từ cấu hình điểm- điểm đơn giản sang cấu hình phức tạp cấu hình vịng cấu hình lưới Các hệ thống WDM xuất từ cuối năm 1980 sử dụng kênh bước sóng vùng 1310nm 1550nm, thường gọi hệ thống WDM băng rộng Đầu năm 1990 xuất hệ thống WDM hệ thứ sử dụng phần tử WDM thụ động, gọi hệ thống WDM băng hẹp với đến kênh Các kênh nằm vùng cửa sổ 1550nm cách khoảng 2500GHz Đến năm 1990 có mặt hệ thống WDM mật độ cao (DWDM: Dense Wavelength Devision Multiplexing) sử dụng từ 16 đến 40 kênh với khoảng cách từ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông Chương 1- Công nghệ truyền tải WDM 100 đến 200GHz Các hệ thống tích hợp chức xen rẽ quản lý mạng Sự phát triển công nghệ WDM giai đoạn (1996-cho đến nay): hệ thống WDM ban đầu sử dụng khoảng cách kênh lớn Việc lắp đặt hệ thống WDM bị cho phối lý kinh tế Việc nâng cấp thiết bị đầu cuối để khai thác lực WDM có chi phí thấp việc lắp đặt thêm cáp sợi quang Sự xuất khuếch đại quang EDFA chuyển hầu hết hệ thống WDM sang cửa sổ từ 1530nm đến 1565nm Các hệ thống DWDM lắp đặt gần với khoảng cách kênh bé từ 50 đến 100 GHz Nhu cầu băng tần mạng tăng gần 100%/năm tiếp tục tăng thập kỷ Nhu cầu mở rộng phương diện địa lý Việc giảm giá thành nhà cung cấp có lẽ hết phổ biến internet ứng dụng đòi hỏi băng tần lớn khác lĩnh vực giải trí tiếp tục đẩy mạnh nhu cầu Các giải pháp thực tế vấn đề giới hạn chất lượng dịch vụ, đặc biêt tán sắc mode phân cực hiệu ứng phi tuyến, cho phép tăng số lượng kênh tốc độ bit hệ thống WDM DWDM tiếp tục cơng nghệ cạnh tranh Tính phức tạp mạng tăng lên đặc biệt dịch vụ đặc biệt đòi hỏi cấu hình logic đặc trưng chiếm ưu dịch vụ truyền thống Số kênh tăng đòi hỏi yêu cầu khắt khe độ ổn định laser, độ xác lọc cần phương tiện giám sát công suất nhiễu tinh vi Mạng dần tiến tới mô hình “tồn quang”, xuất thiết bị quang có khả thực chức có thiết bị điện tử Việc loại bỏ yêu cầu khôi phục tái tạo thông tin người dùng qua thiết bị làm giảm đáng kể tính phức tạp phần cứng mạng 1.2 NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH QUANG PHÂN CHIA THEO BƯỚC SÓNG (WDM) 1.2.1 Giới thiệu chung 1.2.1.1 Hệ thống truyền dẫn thông tin quang số đơn kênh Một hệ thống truyền dẫn thơng tin quang đơn kênh cấu hình điểm-điểm mơ tả hình vẽ 1.2 Hệ thống bao gồm khối: khối phát quang, khối thu quang khối truyền dẫn quang Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông Chương – Một số công nghệ quang tiên tiến dụng APD PIN Thông tin thường dạng liệu số đưa tới mạch điện thực điều chế nguồn ánh sáng phát (LED/LD) Đầu nguồn đưa qua hệ thống quang (telescope ghép (diplexer) quang), sau phát ngồi mơi trường khơng gian Ở đầu thu sử dụng tập trung quang, sau đưa tới tách sóng tín hiệu quang tiếp tục đưa tới phần xử lý tín hiệu điện nhằm khơi phục tín hiệu thông tin Các hệ thống truyền dẫn quang kênh vơ tuyến sử dụng bước sóng khoảng từ 400 nm – 2000 nm Bức xạ cực tím (bước sóng λ < 400 nm) khơng sử dụng Các bước sóng λ > 2000 nm yêu cầu thiết bị tách sóng phải làm mát để giảm nhiệt sóng mang Dải bước sóng 780 nm – 950 nm lựa chọn tốt cho hệ thống quang không dây nhà Ở dải bước sóng này, LED LD với chi phí thấp khả dụng; băng tần trùng với đáp ứng đỉnh tách sóng quang silicon điện dung thấp, chi phí thấp Bước sóng hoạt động tham số quan trọng hệ thống FSO Việc lựa chọn bước sóng hoạt động dựa nhiều tham số kỹ thuật an toàn cho mắt, quỹ đường truyền, khả dụng nguồn tốc độ cao khả năng, chi phí xây dựng hệ thống WDM Hệ thống truyền dẫn quang kênh vô tuyến sử dụng băng tần:  Băng tần có bước sóng 400 nm – 750 nm, dải phổ ánh sáng nhìn thấy Băng tần sử dụng cho truyền thơng ánh sáng nhìn thấy (VLC) Hiện người ta sử dụng có dãy Red Green Blue (phát từ đèn LED) toàn vùng phổ để truyền thơng tin  Băng tần có bước sóng 750 nm – 950 nm (vùng gần hồng ngoại), sử dụng tách sóng quang sẵn có  Băng tần có bước sóng khoảng 1300 nm  Băng tần có bước sóng khoảng 1550 nm Mỗi băng tần có ưu nhược điểm riêng Từ quan điểm kỹ thuật, bước sóng xác định:  Các tính chất vật lý kênh truyền máy phát máy thu  Các tính chất vật lý phần tử điện quang quang  Công suất phát cực đại cho phép đảm bảo an toàn cho mắt Các tham số kỹ thuật quan trọng tốc độ liệu, khoảng cách truyền Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng 282 Chương – Một số công nghệ quang tiên tiến dẫn, lượng tiêu thụ phụ thuộc vào dải bước sóng lựa chọn Tuy nhiên, bước sóng hoạt động định vấn đề kinh tế chi phí chế tạo hay tính gọn nhẹ thiết bị Bảng 7.2 So sánh đặc tính băng tần Đặc tính 550 nm 850 nm 1300 nm 1550 nm Chi phí thiết bị ** *** * * Độ dự trữ (link margin) * ** *** *** An toàn cho da mắt ** ** ** ** Độ nhạy cảm với ánh sáng * ** *** *** Sử dụng WDM * * * * Có sẵn thiết bị ** *** ** ** Khả tương thích với mạng có dây * * ** ** ***: thuận lợi; **: trung bình; *: không thuận lợi 7.5.2 Các thành phần Các phần tử LD, LED, máy thu tốc độ cao, khuếch đại quang, điều chế quang… nghiên cứu phát triền khoảng 30 năm cho hệ thống thông tin sợi quang Các phần tử sử dụng cho hệ thống quang vô tuyến 7.5.2.1 Máy phát Máy phát hệ thống truyền dẫn quang kênh vơ tuyến hồn tồn giống hệ thống sợi quang biết Tuy nhiên, có lưu ý hệ thống an tồn mắt Vì thế, nguồn quang LED hay LD phải có bước sóng cơng suất phát phù hợp LD nguồn xạ có tính định hướng cao, cơng suất lớn vùng nhỏ võng mạc dẫn đến mù lịa; lý an tồn cho mắt, LD khơng sử dụng trực tiếp cho hệ hống IR nhà, xạ thâm nhập vào mắt dễ dàng Để sử dụng LD, LD cần phải khuếch tán 7.5.2.2 Môi trường truyền dẫn Đối với hệ thống OWC, mơi trường truyền dẫn gói gọn khơng gian phịng nên ảnh hưởng mơi trường truyền dẫn không tác Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng 283 Chương – Một số công nghệ quang tiên tiến động lớn đến kênh truyền Vấn đề nghiêm trọng kênh truyền hệ thống tượng đa đường phản xạ liên kết Ảnh hưởng môi trường truyền dẫn lên chất lượng hệ thống truyền dẫn quang vơ tuyến xảy với hệ thống ngồi trời Khi đó, mơi trường truyền dẫn hệ thống FSO nước, chân khơng, khơng khí Ta xét mơi trường truyền dẫn khơng khí Khơng khí định nghĩa lượng khí bao phủ thiên thể, trái đất Trái đất có bầu khí cao 560 km giữ lại nhờ vào lực hấp dẫn Bầu khí chủ yếu bao gồm Nitơ 72%, Oxi 21% chất khác Argon, nước, CO2… ngồi cịn có thành phần khác, bụi, tro… Hơi nước không khí tồn dạng mây sương mù, chúng ngưng tụ thành mưa, tuyết Các tượng gây ảnh hưởng trực tiếp đến liên kết FSO hoạt động phần bầu khí quyển, gần với bề mặt trái đất (tầng đối lưu) Do truyền thơng FSO, việc hiệu ứng khí hấp thụ chùm tia cần tính tới, đặc biệt điều kiện thời tiết bất lợi sương mù, khói, tuyết, mưa lớn… Khi nhiễu loạn khơng khí tính tới, hiệu ứng khí ảnh hưởng đến hệ thống FSO rõ ràng Sự nhiễu loạn khơng khí gây thay đổi nhiệt độ bầu khí Sóng ánh sáng truyền qua khơng khí nhiễu loạn thay đổi biên độ pha, dẫn đến số hiệu ứng: chùm tia bị phân thành nhiều phần, chệch chùm tia, tăng độ rộng chùm tia, tăng nhiễu Đường truyền xa ảnh hưởng nhiễu loạn khơng khí lớn Bên cạnh đó, khơng khí cịn làm méo sóng ánh sáng truyền qua đám mây dày đặc Với liên kết FSO có công suất phát cao, xung quang hẹp, tán xạ khí gây hiệu ứng đa đường Các vùng xung bị lệch đến điểm thu chậm xung trực tiếp, điều làm mở rộng vùng xung máy thu so với xung phát Ngồi ra, hệ thống FSO cịn bị ảnh hưởng từ tổn hao khơng gian tự fading tín hiệu Tổn hao không gian tự làm phần công suất phát bị tổn thất, phía thu khơng thu hồn tồn chùm tia phát Tổn hao điển hình hệ thống điểm – điểm hoạt động với búp sóng phần kỳ khoảng 20 dB, hệ thống nhà sử dụng búp sóng có góc rộng chịu tổn hao khoảng 40 dB lớn Fading tín hiệu xảy với hệ thống quang vơ tuyến nhà ngồi trời Fading tượng truyền sóng đa đường gây nên khoảng thời gian ngắn qua khoảng cách ngắn Các tia sóng truyền dẫn theo đường khác Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng 284 Chương – Một số cơng nghệ quang tiên tiến có pha khác điểm thu, dẫn tới tăng giảm cường độ trường điểm thu, gay suy giảm chất lượng tín hiệu thu Hình 7.41- Sự suy giảm liên kết FSO điều kiện thời tiết khác (thời tiết tốt, sương mù mỏng, sương mù, sương mù dày), với PT = 10 mW; θ = mrad; đường kính thu = 100 mm 7.5.2.3 Máy thu Tại máy thu, tín hiệu quang phải biến đổi ngược trở lại thành tín hiệu điện, biến đổi quang điện thực tách sóng quang tương tự hệ thống thông tin quang sợi Các hệ thống máy thu quang đặc tả vùng nhìn thấy (FOV) diện tích thu chúng Các thơng số liên hệ với vùng tách sóng định luật xạ khơng đổi sau: (7.48) Trong Acoll vùng thu/ tập trung ánh sáng Adet vùng tách sóng Cơng thức 7.48 quan trọng giới hạn vùng thu khả dụng FOV photodiode xác định Đối với kênh khuếch tán thực, vùng tách sóng xác định lượng cơng suất thu Hệ thống quang thu thay đổi cân FOV vùng thu theo quang hệ công thức 7.48 Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng 285 Chương – Một số công nghệ quang tiên tiến Một điểm cần lưu ý cấu hình liên kết hệ thống FSO OWC khác nên máy thu hệ thống phải thiết kế phù hợp để đạt hiệu cao Với hệ thống FSO, liên kết chủ yếu LOS nên cấu trúc máy thu đơn giản Tuy nhiên, vấn đề cần đối mặt thu FSO khoảng cách truyền dẫn xa nên búp sóng rộng vị trí photodiode rung lắc nhà đặt thu dẫn đến PD bị chệch khỏi liên kết LOS Trong đó, hệ thống OWC chủ yếu sử dụng liên kết khuếch tán Vì thế, thu OWC phải thiết kế để giảm thiểu tối đa ảnh hưởng fading Một số cấu hình máy thu OWC mơ tả hình 7.42 Trong hệ thống phân tập góc, số máy thu kênh đơn kết hợp, máy thu hướng khác Điều cho phép phân giải thành phần đa đường diện tích vùng thu máy thu tăng lên Các máy thu phân tập ảnh thực chức tương tự Máy thu phân tập ảnh sử dụng mảng tách sóng bố trí tương tự mảng pixel Ánh sáng từ dải hẹp hướng thu thập pixel đơn, với mảng pixel, cung gấp góc nhìn FOV rộng Nó cho phép thành phần đa đường từ hướng khác phân giải chúng hình ảnh hóa thành pixel khác mảng Mảng cho phép vùng tách sóng rộng phân đoạn, giảm điện dung máy thu Cả hai cấu hình giảm hiệu ứng bóng râm nhờ chọn đường khơng bị bóng râm sử dụng kết hợp/ cân để cực đại hóa tín hiệu thu giảm tỉ lệ lỗi bit Hình 7.42 Các cấu hình máy thu: (a) Máy thu kênh đơn; (b) Máy thu phân tập góc; (c) Máy thu phân tập hình ảnh Các máy thu quang thông thường, sử dụng tập trung quang để tăng diện tích hiệu tách sóng Độ tăng ích cao đạt đượcnhờ sử dụng tập trung paralbol tổ hợp, thiết bị có góc nhìn FOV hẹp, sử dụng đường liên kết LOS Các đường liên kết NLOS thường sử dụng thấu kính bán cầu để đạt góc nhìn FOV rộng tăng ích đẳng hướng Bộ lọc quang sử dụng để làm tổn hao xạ ngồi băng Có hai kiểu lọc quang lọc quang thông dải thông cao Các lọc thông cao Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng 286 Chương – Một số công nghệ quang tiên tiến chế tạo thủy tinh màu, cho qua tất bước sóng dài bước sóng cắt cụ thể Kết hợp với đi-ốt PIN, thường có độ nhạy từ 400 nm đến 1.1 µm, lọc quang thơng cao có đáp ứng thơng dải với độ rộng phổ cỡ vài trăm nm Các lọc quang thơng dải cịn gọi lọc nhiễu xây dựng nhiều lớp, có băng thơng hẹp Các lọc hiệu kết hợp với nguồn laze đi-ốt Tuy nhiên, đặc tính lọc thơng dải dải thơng dịch chuyển góc tới thay đổi Điều dẫn đến góc nhìn FOV hẹp, khơng sử dụng đường liên kết NLOS 7.5.3 Các kỹ thuật truyền tải quang kênh vô tuyến Việc chọn lựa phương thức điều chế quan trọng thiết kế hệ thống truyền dẫn quang kênh vô tuyến Kỹ thuật điều chế sử dụng định thơng số có ảnh hưởng đến hiệu suất chung hệ thống băng thông, hiệu suất sử dụng lượng 7.5.3.1 Các kỹ thuật điều chế Trong năm vừa qua, nhiều kỹ thuật điều chế điều chế tương tự, điều chế số điều chế xung nghiên cứu thử nghiệm nhằm cải thiện hiệu suất liên kết FSO Một số phương thức điều chế phổ biến là: điều chế khóa bật tắt (OOK), điều chế vị trí xung (PPM) điều chế sóng mang (SM) Với đặc trưng kênh truyền khác nhau, hệ thống OWC FSO sử dụng kỹ thuật điều chế khác để đạt hiệu truyền dẫn Do khoảng cách truyền dẫn ngắn nên hệ thống OWC không bị giới hạn quĩ công suất cho dù công suất phát xạ trung bình nguồn quang nhỏ Nhưng vấn đề lại trở thành thách thức với hệ thống FSO Hệ thống FSO thường sử dụng tách sóng quang có bề mặt rộng (điển hình cỡ cm2), nhờ cải thiện tỷ lệ tín hiệu tạp âm (SNR) thu được, làm tăng hiệu thu phát Tuy nhiên, điện dung cao kết hợp với tách sóng quang có bề mặt rộng giới hạn băng thông máy thu, đó, hiệu băng thơng sơ đồ điều chế cần đưa vào tính tốn 7.5.3.1.1 Khóa bật-tắt (OOK) Điều chế khóa bật-tắt (OOK) kỹ thuật đơn giản để truyền tín hiệu quang hệ thống truyền dẫn quang kênh vô tuyến Trước truyền dẫn, thơng tin mã hóa thành mã cụ thể Manchester, RZ (Return To Zero) NRZ (Non-Return To Zero) để tạo thành dòng xung Ở sơ đồ OOK, xung phát bit mã ‘1’ suốt khe thời gian cố định ‘0’ biểu diễn vắng mặt xung suốt khe thời gian Các xung có chu kỳ duty (d) khác Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng 287 Chương – Một số công nghệ quang tiên tiến Khi sử dụng chu kỳ d