Nghiên cứu khả năng ứng dụng của hệ thống quang vô tuyến fso trong hệ thống giao thông thông minh its

TỔNG QUAN VỀ ITS

GIỚI THIỆU CHUNG

ITS là viết tắt của cụm từ Intelligent Transport System (hệ thống giao thông thông minh) Hệ thống giao thông thông minh là một hệ thống giao thông chủ động; kết nối toàn diện, đồng bộ giữa cơ sở hạ tầng xây dựng bao gồm hệ thồng đường sá, đèn giao thông, đèn chiếu sáng, bảng quang báo, trạm thu phí, với các thành phần tham gia giao thông (phương tiện cá nhân, phương tiện công cộng, phương tiện chuyên dụng, người đi bộ) thông qua việc ứng dụng khoa học, công nghệ hiện đại Nếu được áp dụng một cách đúng đắn, và rộng rãi thì ITS hoàn toàn có khả năng giải quyết các vấn đề nhứt nhối trong giao thông hiện nay tại các thành phố lớn nhất là nạn ùn tắt, tai nạn giao thông và ô nhiễm môi trường, đồng thời giúp các cơ quan quản lý nắm rành mạch tình hình giao thông trong khu vực trách nhiệm từ đó nhanh chóng, dễ dàng thực hiện công tác giải quyết vấn đề, sự cố giao thông.

1.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển

Hệ thống giao thông thông minh xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1980 ở Nhật Đến năm

1993 hội nghị mang tầm vốc quốc tế đầu tiên về ITS được tổ chức, thu hút sự tham gia của các chuyên gia về giao thông cùng với các nhà sản xuất, chế tạo phương tiện giao thông từ nhiều nước trên thế giới Kể từ sau đó ITS đã sử dụng thành quả của các ngành công nghệ liên quan để giải quyết các vấn đề về giao thông, trong đó đáng chú ý là ngành điện tử viễn thông, công nghệ thông tin, và xây dựng Kế hoạch nghiên cứu và xây dựng ITS được thực hiện ở nhiều quốc gia phát triễn với nhiều lĩnh vực tiếp cận, áp dụng Đơn cử là tự động hóa các trạm thu phí, cung cấp thông tin cho người tham gia giao thông, quản lí các trục đường chính và các trục đường cao tốc, vận hành và khai thác có hiệu quả các công trình giao thông công cộng như xe buýt, tàu điện ngầm, hệ thống đèn giao thông Cùng với đó là sự hiện đại và tính tự động ngày càng cao trong phương tiện di chuyển, đặc biệt là ô tô Các nước cũng bắt đầu thành lập các trung tâm điều hành ITS, những trung tâm này thực hiện các nhiệm vụ như thu thập dữ liệu từ mạng lưới giao thông cung cấp cho các phương tiện tham gia giao thông; nghiên cứu, xử lí cơ sở dữ liệu để đầu tư phát triển ITS, xác lập giải pháp hữu hiệu cho người tham gia giao thông. Đến năm 2008, hội nghị ITS quốc lần thứ 15 được tổ chức tại NewYork (Mỹ) đánh dấu cột mốc phát triển mới của ITS, tại đây nhiều công trình nghiên cứu và các thiết bị, hệ thống tiên tiến, hiện đại được giới thiệu nhằm giải quyết các vấn đề cũ như kẹ xe, giảm tai nạn, và các vấn đề mới là bảo vệ môi trường.

1.1.3 Cấu trúc cơ bản của ITS

Hình 1-1: Cấu trúc điển hình của ITS [5]

Một hệ thống giao thông thông thường gồm ba yếu tố cơ bản, đó là con người, phương tiện giao thông, và hạ tầng giao thông Ở hệ thống naỳ thì con người đóng vai trò vận hành chính, các điều kiện an toàn ở chế đô thụ động, bảo vệ, giảm hậu quả là chính. Trong hệ thống giao thông thông minh, thì thành phần cấu thành cũng gồm ba yếu tố trên, thế nhưng phương tiện giao và hạ tầng giao thông trở nên thông minh hơn, chuyển từ chế độ bảo vệ và hệ thống an ninh thụ động sang hướng phòng ngừa và các hệ thống an toàn chủ động Qua đó xóa bỏ dần sự điều khiển của con người, tiến dần đến một môi trường giao thông mang tính tự động hóa cao Khí đó yếu tố cốt lõi của hệ thống giao thông thông minh là phương tiện giao thông thông minh và hạ tầng giao thông thông minh Cấu trúc của ITS được thể hiện một cách tương đối trực quan thông qua Hình 1-1 Hình này đã cho thấy được sự kết nối giữa các phương tiện tham gia giao thông với nhau, giữa phương tiện với đường sá, và giữa phương tiện với các khu vực công cộng như bệnh viện, trạm nhiên liệu, bãi đỗ xe Thông tin về những đối tượng trên được thu thập và truyền đi nhờ những trạm thu phát sóng đặt dọc theo các thuyến đường và trên các phương tiện.

1.1.3.1 Phương tiện giao thông thông minh

Phương tiện giao thông thông mình là một phần quan trong trong ITS, một phương tiện giao thông thông minh phải đảm bảo tiêu chuẩn cao về vấn đề an toàn, chủ động trong tiếp nhận, xử lý và truyền tải thông tin

Một phương tiện thông minh, bên cạnh những hệ thống an toàn được các hãng tích hợp trên xe thì các phương tiện phải được tích hợp thêm các thiết bị có thể truyền nhận tin với hệ thống mạng hạ tầng, và với các phương tiện khác Tùy theo hệ thống thông tin liên lạc là quang hay vô tuyến mà thiết bị được tích hợp trong xe được thiết kế, lựa chon cho phù hợp Thể hiện qua các mặt sau:

- Về mặt an toàn, các phương tiện phải được tích hợp các hệ thống cảnh báo va chạm, cảnh báo người lái, hệ thống chóng va chạm tự động

Hình 1-2: Phương tiện giao thông thông minh [6]

- Về mặt tiếp nhận thông tin, các phương tiện phải có hệ thống màn hình hiển thị và âm thanh sẳn sàn cho việc phản ánh thông tin nhanh chóng đến láy xe để xử lý kịp thời các sự vố, vấn đề khi tham gia giao thông

- Về mặt thông tin liên lạc thì các thiết bị mạng phải đảm bảo sao cho kết nối luôn được dùy trì, liên tục, nhanh và ổn định để đảm bảo thông tin được truyền nhận có hiệu quả Đối với các hệ thống giao thông cộng cộng như xe buýt, tàu điện, và taxi thì người ta còn tích hợp thêm các thiết bị quản lý và kết nối thông minh với hành khách thông qua các ứng dụng di động và với các trạm truyến để khai thác tối đa hiệu quả của các tuyến xe công cộng.

- Vài bộ phận tiên tiến được lắp đặt trên phương tiện để tạo ra một chiếc xe thông minh được biểu diễn như trong Hình 1-3 Trong hình này, Forward Radar và RearRadar là 2 thiết bị dò tìm và định vị đặt ở phía trước (Forward Radar) và phí sau(Rear Radar) xe.

Hình 1-3: Một vài thiết bị thông tin cơ bản được tích hợp trên phương tiện [6]

Hai thiết bị này có nhiệm vụ định vị, đo khoảng cách là lập bản đồ các vật thể, và phương tiện đang ở gần Phần màn hình hiển thị (Display) giữ nhiệm vụ hiển thị các thông số quan trọng của xe và những thông số thu thập được từ các Radar hay cảm biến Hệ thống định vị (Position System) có thể ứng dụng công nghệ GPS để định vị vị trí của xe trong tuyến đường Hay thiết bị ghi dữ liệu hành trình (Event Data Recorder) và máy tính xử lý chính (Computing Platform)

1.1.3.2 Hạ tầng giao thông thông minh

Có thể chia hạ tầng giao thông thông minh thành 2 thành phần, thứ nhất là công trình xây dựng giao thông, thứ 2 là hạ tầng thông tin liên lạc

Một hạ tầng giao thông được cho là thông minh thì phải có hệ thống đường sá thông suốt, kết nối mạch lạc với nhau, các hệ thống tín hiệu, bảng báo, đèn chiếu sáng, đèn giao thông phải hoạt động một cách chủ động, có hiệu quả, phù hợp với tình hình giao thông liên tục biến đổi, đảm bảo luồng giao thông luôn được thông suốt

Hai hạ tầng công trình giao thông tương đối hiện đại được thể hiện qua Hình 1-4.Trong hình này, hai làn đường có chữ BRT là 2 tuyến đường xe buýt nhanh, làm tăng khả năng hoạt động và tốc độ của xe buýt Bên cạnh đó là những mảng xanh từ cây và cỏ đóng vai trò thiết thực trong bỏ vệ môi trường khỏi khói bụi giao thông, cũng như làm tăng tính mỹ quang cho hệ thống giao thông.

Hình 1-4: Hệ thống hạ tầng công trình giao thông [2] Đồng thời, hạ tầng giao thông thông minh thì phải kết nối được với phương tiện giao thông, phục vụ có hiệu quả cho các phương tiện khi tham gia giao thông Để làm được điều đó thì không thể thiếu hệ thống thông tin liên lạc Có thể nói rằng hệ thống thông tin liên lạc là nền tảng, là xương sống của hệ thống giao thông thông minh Nhiệm vụ chính của hệ thống thông tin liên lạc là đảm bảo sự kết nối thông suốt, liên tục và chính xác tình hình giao thông giữa các phương tiện và hạ tầng Việc kết hợp giữa hạ tầng công trình xây dựng và hạ tầng thông tin liên lạc được thể hiện cơ bản như Hình 1-5.Trong hình này, các module thu phát sóng giữ vai trò thu nhận tín hiệu từ các máy ghi hình, hay ở các trụ đèn giao thông, sau đó trung tâm xử lý tín hiệu sẽ phát đi những thông điệp nhằm mục đích điều khiển hay thông tin cho các phương tiện tham gia giao thông.

Hình 1-5: Hệ thống thông tin liên lạc kết hợp với hạ tầng xây dựng trong ITS [2]

Giao thông thông minh đang là xu hướng của các hệ thống giao thông trên toàn thế giới, những quốc gia có hệ thống giao thông thông minh đã giải quyết được các vấn đề về ùn tắt giao thông, giảm thiểu đáng kể tình hình tai nạn giao thông Vấn đề ô nhiễm môi trường do khí thải từ các phương tiện cũng giảm đáng kể, do các công nghệ thiết kiệm nhiên liệu được áp dụng lên các phương tiện, sử dụng nhiên liệu sạch để vận hành xe, đồng thời giảm thời gian phương tiện hoạt động trên đường do giảm kẹt xe và khả năng hoạch định đường đi tối ưu của hệ thống Cụ thể những lợi ích được trình bày qua

Một là cung cấp thông tin cho người tham gia giao thông như trước chuyến đi chúng ta có thể cập nhật tình hình giao thông trong những khu vực mà ta sẽ đi, từ đó hoạch định ra lộ trình tối ưu nhất Đồng thời trong suốt quá trình tham gia giao thông, tình hình giao thông sẽ được cập nhật một cách liên tục (vị trí trạm thu phí, khu vực lưu lượng giao thông đông đú, khu vực đang ùn tắt, tai nạn giao thông, cảnh báo giao thông) từ đó hệ thống sẽ định ra lộ trình thay thế để sự di chuyển được liên tục.

Hai là vận hành và quản lí giao thông cụ thể là quản lí các vấn đề vận tải; quản lí, bảo dưỡng cơ sở hạ tầng giao thông; duy trì trật tự, ổn định giao thông; quản lí nhu cầu sử dụng hạ tầng giao thông

HỆ THỐNG THÔNG TIN LIÊN LẠC TRONG ITS

Hình 1- 6: Trạm thu phát sóng điện từ cơ bản

Mô hình cấu trúc thu phát sóng điện từ được mô tả như trong Hình 1-6 Trong hình này, trạm A sẽ phát sóng có màu nhạt hơn và nhận sóng có màu đậm, trạm B sẽ phát sóng có màu đậm hơn và nhận sóng có màu nhạt từ trạm A Khoảng cách truyền giữa hai trạm có thể rất xa, thông thường là hàng chục kilomet.

Về mặt thông tin liên lạc, đối với các hệ thống truyền nhận tin hiện tại và truyền thống thì thông tin được truyền chủ yếu trên nền sóng điện từ Một số công nghệ sóng điện từ được ứng dụng trong ITS được trình bài như mô tả ở phần tiếp theo.

Công nghệ nhận dạng tần số sóng vô tuyến RFID (Radio Frequency Identification) đây là công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến, cho phép một thiết bị đọc thông tin chứa trong chip ở một khoảng cách xa, mà không cần tiếp xúc RFID sử dụng băng thông của 4 tần số chính, đó là tần số thấp LF (Low Frequency) dãi tần trong khoảng

30-300 KHZ, tần số cao HF (High Frequency) dãi tần trong khoảng 3-30 MHZ, tần số cực cao UHF (Ultra High Frequency) dãi tần trong khỏang 300 MHZ- 3 GHZ hoặc tần số viba(3-30GHZ) Trong hệ thống giao thông thông minh, nó được sử dụng để thực hiện thu phí tự động tại các trạm thu phí, hay giám sát các phương tiện

Mạng dùng để kết nối phương tiện với phương tiện V2V (Vehical to Vehival) dành cho truyền nhận thông tin giữa các phương tiện thông qua giao thức định tuyến của mạng VANET (Vehicular Ad hoc NETwork)- một mạng tích hợp trên ô tô , chuyên dùng để kết nối dữ liệu giữa ô tô với nhau Với mạng này, mỗi phương tiện tham gia giao thông được coi là một node, các thông tin về vị trí, tốc độ, hướng di chuyển của các phương tiện sẽ được trao đổi liên tục cho nhau trong phạm vi bán kính khoảng 300m Mạng này sử dụng băng thông 75MHz của băng tần 5.9GHz

Mạng VANET ứng dụng trong giao thông thông minh được mô tả như trong Hình 1-6. Trong hình này, những chiếc xe ô tô được lắp đặt một mạng kết nối V2V Đồng thời nhà ga với tàu điện hay xe buýt với trạm dừng cũng có thiết lập kết nối để hành khách có thể nắm bắt được thông tin của chuyến tàu Các phương tiện với các tín hiệu giao thông (Traffic Signs), hệ thống cảnh báo an toàn (Safety System).

Hình 1-7: Mạng VANET được ứng dụng trong ITS [6]

Các thế hệ mạng di động 3G, 4G (Third-Generation và Fourth- Generation) Đây lần lượt là công nghệ truyền thông thế hệ thứ 3 và thứ 4 Đối với mạng 3G thì tốc độ tải xuống và tải lên trong thực tế lần lượt là 3Mbps và 0.4Mbps Còn với mạng 4G LTE thì tốc độ tải xuống/lên trong thực tế lần lượt là 14Mbps và 8Mbps Người tham gia giao thông có thể sử dụng những thế hệ mạng này để truy cập nhanh các ứng dụng của giao thông thông minh như kích hoạt hệ thống định vị toàn cầu GPS và sử dụng các tiện ích về giao thông công cộng, cũng như tình trạng giao thông, bản đồ. Đối với hệ thống mạng lõi, người ta sử dụng hệ thống thông tin vi ba và vệ tinh để thực hiện truyền nhận thông tin giữa các trạm với trung tâm điều phối chính.

Một trong những đòi hỏi khắc khe của hệ thống giao thông thông minh là vấn đề tiếp nhận thông tin trên thời gian thực, thộng tin gửi đi từ một hệ thống này đến một hệ thống khác phaỉ gần như là ngay lập tức, thời gian trễ phại cực kì thấp để đáp ứng được việc tình hình giao thông thay đổi nhanh và liên tục Để thực hiện được yêu cầu trên thì đòi hỏi phải có loại hình truyền dẫn mới, đó là quang vô tuyến,

Hình 1-8: Mô hình truyền nhận thông tin quang vô tuyến [4]

Thông tin thu thập được từ các cảm biến, thiết bị ngoại vi đặt trên các tuyến đường, sau đó truyền đi đến các trạm thu phát, từ các trạm này, thông tin sẽ được truyền đi đến trung tâm điều phối chính Đường truyền sẽ ngược lại cho quá trình truyền tín hiệu điều khiển, thông tin giao thông từ trung tâm điều hành tới các đơn vị, khu vực khi cần thiết Mô hình truyền-nhận thông tin quang vô tuyến được thể hiện qua Hình 1-7. Trong hình này, ta có thể thấy được 2 thiết bị thu phát quang vô tuyến truyền tin cho nhau giữa 2 điểm Khoảng cách truyền và môi trường truyền sẽ ảnh hưởng đến tốc độ và chất lượng của kênh truyền.

Cáp kim loại là loại cáp được sử dụng rất nhiều trong truyền thông (UTP và STP),nhưng đối với truyền dẫn trong hệ thống giao thông thông minh thì nó rất ít được sử dụng vì độ suy hao cao, tốc dộ truyền thấp, khó đáp ứng các yêu cầu về tốc độ của mạng trong ITS, bảo mật thông tin kém, khó khăn trong trong việc thi công hạ tầng truyền dẫn vì nó chỉ có thể truyền tối đa 500m để đảm bảo sự ổn định đường truyền, nó chỉ được sử dụng trong kết nối các thiết bị với khoảng cách ngắn, không ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất đường truyền.

Hình 1-9: Mô hình truyền tin bằng cáp đồng trục [4]

Mô hình truyền dữ liệu bằng cáp đồng được mô tả như Hình 1-9 Trong hình này, sợi cáp đồng sẽ truyền tải dữ liệu vào modem SHDSL tín hiệu vào modem sẽ được điều chế để truyền đi hay được giải điều chế để khôi phục lại tín hiệu gốc.

Hiện nay, cáp quang được sử dụng rộng rãi nhất trong hạ tầng thông tin liên lạc của hệ thống giao thông thông minh Phần lớn các nước đều sử dụng cáp quang cho việc truyền tải thông tin trong ITS trong đó có Việt Nam Cáp quang được sử dụng phổ biến là do ưu điểm vượt trội của nó so vơi các loại truyền dẫn khác (điện từ và cáp đồng).

Về tốc độ, cáp quang có thể đạt tới 10Gbps về mặt công nghệ, khoảng cách truyền tối đa cũng rất xa, khoảng 10Km Cáp quang có độ bảo mật cao, do được chế tạo từ sợi thủy tinh, tín hiệu truyền là ánh sáng nên hầu như không bị đánh cấp thông tin trên đường truyền Thêm đặc tính nữa là cáp quang không dẫn sét, nên có thể đảm bảo an toàn cho dữ liệu Đồng thời suy hao đường truyền thấp, không bị suy hao trong điều kiện thời tiết xấu.

Hình 1-10: Đường truyền cáp quang giữa hai trạm [4]

Mô hình truyền cáp quang giữa 2 điểm được thể hiện qua Hình 1-10 Trong hình này, sợi quang được kết nối với bộ chuyển đổi quang –điện và điện-quang được đặt ở 2 đầu sợi quang, có chức năng chuyễn đổi qua lại tín hiệu quang và điện Ánh sáng chứa dữ liệu được truyền trong sợi quang, sợi quang có thể được đặt trên cao, hay rong lòng đất, đối với các tuyến các đường trục, mạng lỗi, thì sợi cáp thường được đặt trog lòng đất để hạn chế các tác động vật lý bên ngoài lên sợi quang, cũng như để hạn chế mất mác và đảm bảo mỹ quan.

Trung tâm kiểm soát: trung tâm đảm nhận tất cả thông tin thu thập được từ các trạm, ở đây mọi thông tin sẽ được giám sát, phân tích Dựa vào đây, hệ thống có thể thục hiện chức năng điều khiển từ xa các tín hiệu đèn giao thông, nội dung bảng thông báo, hệ thống đèn chiếu sáng trong hệ thống ITS Với việc giám sát tình hình giao thông liên tục, trung tâm điều khiển có thể chủ động phản ứng nhanh khi có các sự cố giao thông.Đồng thời cung cấp tình hình giao thông liên tục cho các phương tiện đang và sẽ tham gia giao thông Người dùng có thể biết được tình hình thời tiết, lưu lượng giao thông,thông tin trạm thu phí, trạm nhiên liệu, trong suốt tuyến đường mà phương tiện sẽ đi.

Ngoài ra hệ thống cũng sẽ thông qua các thiết bị ngoại vi phát hiện những sai phạm của các phương tiện khi tham gia giao thông.

ITS Ở VIỆT NAM

1.3.1 Các công trình đã đang thực hiện

Mặc dù ITS đã được ứng dụng rộn rãi, sâu sắc từ lâu trên thế giới, nhưng ở Việt Nam thì nó vẫn còn mới mẽ và mờ nhạt Ứng dụng ITS mới nhất ở Viết Nam là giải pháp cho đường cao tốc Một trung tâm điều hành giao thông thông minh cho đường cao tốc Bắc –Nam vừa được khánh thành, đi vào khai thác tuyến cao tốc Long Thành – Dầu Giây, hệ thống này bao gồm các trạm thu phí điện tử, các hệ thống giám sát thiết bị và điều khiển giao thông Hệ thống gồm 16 camera giám sát (CCTV) và 52 camera có chức năng quan sát thăm dò xe, cảnh báo tốc độ phương tiện và nhiều hệ thống thông tin hiện đại Hệ thống thông tin liên lạc không dây, 8 bảng thông tin khả biến cùng hệ thống bộ đàm liên lạc nội bộ giúp nâng cao hiệu quả việc trao đổi thông tin, phối hợp kiểm soát điều hành giao thông trên cao tốc, tổng mức đầu tư toàn bộ gói thầu ITS vào khoảng 800 tỷ đồng.

Hình 1-13: Hệ thống ITS ở cao tốc Long Thành- Dầu Giây [5]

Tại Hà Nội, ITS được ứng dụng trên quốc lộ 3 mới, đường vành đai 3 (Mai Dịch -Thanh Trì), đường Láng - Hòa Lạc, Pháp Vân - Cầu Giẽ, Cầu Giẽ - Ninh Bình, quốc lộ

4 hợp phần, gồm: hệ thống giám sát và thu thập thông tin giao thông; hệ thống thông tin giao thông; hệ thống quản lý kết cấu hạ tầng giao thông; và hệ thống quản lý vận tải hành khách công cộng bằng xe buýt Cụ thể, từ tháng 6 đến tháng 11-2017, xây dựng hệ thống giám sát và thu thập thông tin giao thông (từ hệ thống camera giám sát và thiết bị GPS) Hệ thống thông tin giao thông, với bản đồ giao thông và tích hợp dữ liệu, ứng dụng di động, cổng thông tin giao thông tập trung và hệ thống quản lý kết cấu hạ tầng giao thông.

Ngoài ra kênh radio VOV giao thông đã được thành lập gồm 1 máy phát ở Hà Nội phủ một vùng 200km và 2 máy phát tại Tp.Hồ Chí Minh phủ sóng 300km Kênh là trung tâm tiếp nhận tình hình giao thông như kẹt xe, tai nạn, tắt đường, và được phát trực tiếp đến các phương tiện có kết nối với đài, nhằm giảm tránh ùn tắt giao thông

1.3.2 Các công trình sẽ thực hiện

Trong tương lai, Việt Nam sẽ hoàn thành tuyến cao tốc được cho là xương sống của cả nước đó là cao tốc Bắc-Nam, tuyến cao tốc này sẽ được quản lý bằng các hệ thống thông minh, và nó sẽ là công trình đển hình cho hệ thống giao thông thông minh ở Việt Nam Đồng thời hệt thống giao thông thông minh sẽ được mở rộng và phủ toàn bộ 3 thành phố lớn là Hà Nội, Đà Nẵng và Hồ Chí Minh Sau đó sẽ lan dần đến các đường quốc lộ và tỉnh lộ của khu vực phía Nam.

Tuy nhiên, hệ thống giao thông thông minh ở Việt Nam trước mắt chỉ dừng lại ở vài chức năng cơ bản vì cơ sở hạ tầng công trình giao thông cũ kĩ, không đồng bộ, sử dụng phương tiện xe máy công cộng là chủ yếu, ít sử dụng phương tiện công cộng Để hệ thống giao thông thông minh được triển kai sâu, rộng, thì chính quyền ở 2 thành phố lớn nhất nước là Hà Nội và Hồ Chí Minh sẽ tiến hành ban hành các quy định, cũng như phát triển hệ thống phương tiện công cộng để người dân chuyển sang sử dụng phương tiện công cộng nhiều hơn.

KẾT LUẬN CHƯƠNG

Một cách ngắn gọn, chương này đã trình bày phần nào về công nghệ, cấu trúc của ITS và những ứng dụng, hiệu quả tích cực đến đáng ngạc nhiên mà nó đem lại cho sự phát triển kinh tế, sự thuật lợi trong di chuyển và cho môi trường ở những nơi mà nó được xây dựng.

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, CHỨC NĂNG, HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÔ TUYẾN (FSO)

LỊCH SỬ RA ĐỜI CỦA FSO

FSO là viết tắt của cụm từ Free Space Optic (quang vô tuyến), ban đầu được phát triển bởi quân đội và NASA, FSO đã được sử dụng trong hơn ba thập kỷ với nhiều hình thức khác nhau để cung cấp các liên kết truyền thông nhanh chóng giữa những khu vực xa.LightPointe có nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực này: các nhà khoa học của họ đã xây dựng các phòng thí nghiệm để phát triển các hệ thống FSO đầu tiên ở Đức vào cuối những năm 1960, ngay trước cả sự ra đời của cáp quang Nhà khoa học củaLightPointe được coi là "cha đẻ của công nghệ FSO" Sau đó trong khi truyền dẫn cáp quang đã được chấp nhận trên toàn thế giới trong ngành viễn thông thì truyền thôngFSO vẫn được coi là tương đối mới Công nghệ FSO cho phép truyền tải băng thông tương tự như sợi quang, sử dụng các thiết bị phát và thu quang tương tự và thậm chí cho phép các công nghệ tương tự WDM vận hành qua không gian tự do.

MÔ HÌNH CẤU TRÚC

FSO là hệ thống tuyền thông không dây, dữ liệu được truyền đi bằng ánh sáng trong môi trường không gian tự do Mô hình cấu trúc cơ bản của FSO được thể hiện như trong Hình 2-1 Trong hình này thiết bị 2 màu xanh là thiết bị xử lí tín hiệu, 2 thiết bị màu vàng là thấu kính, hai dùng để thu - phát ánh sáng, mỗi bộ thu phát gồm 2 thành phần chính là bộ xử lý tín hiệu là thấu kính Hai vầng sáng màu vàng và xanh là ánh sáng được truyền đi trong môi trường không khí.

Hình 2- 1: Mô hình cấu trúc cơ bản của FSO [10]

Bộ thu/phát bên trái truyền ánh sáng màu đỏ và nhận ánh sáng màu xanh còn bộ thu/phát bên phải thì ngược lại, truyền ánh sáng màu xanh và nhận ánh sáng màu đỏ.Về cơ bản, một hệ thống quang vô tuyến gồm 3 phần chính là máy phát quang, môi trường không gian tự do, và máy thu quang.

2.2.1 Các loại sóng ánh sáng Ánh sáng trắng là tổng hợp của các ánh sáng đơn sắc mà ta có thể nhìn thấy Các ánh sáng đơn sắc nối liền với nhau thành 1 dãy liên tục theo thứ tự: đỏ-cam-vàng-lục-lam- chàm-tím Mỗi ánh sáng đơn sắc có bước sóng khác nhau.

Bảng 2-1: Bảng liệt kê bước sóng của 7 ánh sáng khả kiến [9]

MÀU SẮC BƯỚC SÓNG TRONG CHÂN KHÔNG(micromet) Đỏ 0.64-0.76

Bảng 2-1 liệt kê các khoảng bước sóng của 7 ánh sáng khả kiến tiêu biểu, mỗi bước sóng sẽ cho 1 tần số, vì vậy có thể thực hiện nhiều loại tín hiệu độc lập nhau nhau trong cùng một nguồn ánh sáng trắng

Những ánh sáng này dùng để truyền phát dữ liệu ở tốc độ cao, nhế nhưng khoảng cách truyền rất ngắn, chỉ có thể áp dụng truyền dữ liệu trong khu vực nhỏ, chẳng hạn như trong một căn phòng Công nghệ ứng dụng kiểu truyền dữ liệu bằng các ánh sáng này có tên là VLC (Visible Light Communication) Vì đề tài bài báo cáo tậm trung vào FSO nên đối với phần VLC này, bài báo báo chỉ giới thiệu sợ lược đôi nét như trong phần kề trên

2.2.2 Các nguồn sáng được nghiên cứu và sử dụng trong FSO [10, 16]

Khác với VLC, mặc dù quang vô tuyến (FSO) cũng dùng ánh sáng để truyền dữ liệu,nhưng hệ thống FSO có thể truyền dữ liệu đi với khoảng cách xa Nguyên nhân là doFSO sử dụng nguồn sáng khác đó là LASER và LED.

BỘ PHÁT

Bộ phát là một trong 3 thành phần chính của hệ thống truyền dẫn quang vô tuyến.

Nhiệm vụ chính của bộ phát là điều chế tín hiệu từ tín hiệu điện sang quang, sau đó truyền vào không gian Chấc lượng tín hiệu cũng như các thông số, chỉ tiêu về chất lượng phải được tính toán kỹ ở máy thu sao cho máy thu truyền đi dữ liệu mà tín hiệu nhận được tốt như mong muốn nguồn ánh sáng từ máy phát có thể truyền đi từ 20m đến 8km, tuy nhiên khoản cách truyền càng xa thì đòi hỏi bộ phát phải đáp ứng được yêu cầu vể công suất truyền, đảm bảo về sự truyền thẳng và độ tập trung tia sáng cao.

Sơ đồ khối của một bộ phận thu quang được thể hiện như trong Hình 2-2 Trong hình này, bộ phát gồm 4 thành phần chính Chúng là khối điều chế tín hiệu, khối mạch điều khiển, khối nguồn phát LD/LED, và thấu kính Tin tức gốc sẽ đi lần lượt qua các khối, và sẽ biến đổi từ dạng tín hiệu là các tín hiệu điện thành tín hiệu quang trước khi phát ra từ lăng kính

2.3.2.2 Các thành phần trong khối[9, 13, 16, 22]

Bộ điều chế trong bộ nguồn giữ vai trò điều chế tín hiệu Phương pháp điều chế được sử sụng phổ biến là điều chế cường độ IM (Intensity Modulation), tín hiệu được điều chế tại đây sẽ được đưa vào bộ phát xạ quang

Cấu tạo chi tiết của máy thu phát quang được mô tả như Hình 2-3 Trong hình này, bộ phận điều chế tín hiệu nằm ở khối sử lý tín hiệu (Data Processing), nơi mà luồng ánh sáng màu đỏ đi dang qua, tín hiệu đầu vào bộ điều chế là tín hiệu số Các dạng điều chế cường độ quang có mà có thể sử dụng trong quang vô tuyến là điều chế OOK (On-

Hình 2-2: Sơ đồ khối của máy phát [22]

Off Keying) đây là điều chế được sử dụng nhiều nhất vì tính đơn gỉan của nó Ngoài ra còn có điều chế cường độ sóng mang phụ SIM (Subcarrier Intensity Modulation), hay các kiểu điều chế xung PM (Pulse Modulation).

Hình 2- 3: Cấu tạo thiết bị thu phát quang vô tuyến [16]

Như trong Hình 2-3, mạch điều khiển sẽ nằm ở phần xử lý dữ liệu (Data Processing). Mạch điều khiển đóng vai trò xử lý tín hiệu điện và quang, đưa tín hiệu vào sóng mang

Có 2 loại nguồn quang được sử dụng chủ yếu, đó là nguồn LASER DIODE (LD) và nguồn LED

- Có nhiều loại laser như laser rắn, laser khí, laser CO2, laser than hoạt tính, và một số lạo khác Tuy nhiên, trong quang vô tuyến, người ta sử dụng laser bán dẫn , điển hình là Laser Diode (LD) Laser diod co vài loại như GaAs, AlGaAs, và GaInAsP. Mỗi loại có ứng dụng khác nhau tùy thuộc vào công suất và bước sóng Trong thông tin quang, người ta sử dụng laser diode loại GaInAsP, vì loại này có công suất cao (20mW), bước sóng 1300nm.

- Về cấu tạo, một cách tổng quát thì laser gồm có 3 thành phần, thứ nhất là buồng cộng hưởng laser, thứ hai là nguồn nuôi, cuối cùng là hệ thống quang dẫn Cấu tạo cụ thể được mô tả như trong Hình 2-4.

Hình 2- 4: Cấu tạo bộ phát laser [9]

Trong hình Hình 2-4, số 1 là vùng cộng hưởng (vùng bị kích thích), số 2 là nguồn nuôi (năng lượng cung cấp cho vùng bị kích thích), số 3 là gương phản xạ toàn phần (là loại gương mà khi ánh sáng chiếu vào đều bị phản xạ lại toàn bộ), số 4 là gương bán mạ (đây là loại gương mà khi ánh sáng đi tới sẽ chỉ bị phản xạ lại một phần, còn một phần sẽ xuyên qua gương), số 5 là tia laser ra khỏi buồng cộng hưởng thông qua gương bán mạ Trong các thành phần cấu tạo thì buồng cộng hưởng là thành phần chính, nó chứa hoạt chất laser, đó là một chất đặc biệt có khả năng khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích để tạo ra laser Khi 1 photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là

1 photon khác bật ra bay theo cùng hướng với photon đó Tính chất của laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, do đó người ta căn cứ vào hoạt chất để phân loại laser [22].

- Về nguyên lý hoạt động, laser hoạt động trên nguyên lý phát xạ khích thích Khi có tác dụng của điện áp đủ mạnh, thì các electon trong buồng cộng hưởng sẽ chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao Khi ở mức năng lượng này, nếu có 1 hạt photon (hạt ánh sáng) va vào thì electon này sẽ rơi xuống mức năng lượng thấp đồng thời sinh ra một hạt ánh sáng mới, cùng pha, cùng độ lớn và cùng hướng di chuyển với hật ánh sáng ban đầu Những hật ánh sáng này nhờ gương phản xạ toàn phần sẽ di chuyển qua lại trong buồng cộng hưởng làm va phải nhiều hạt electon ở mức năng cao khác, làm chúng rơi xuống mức năng lượng thấp hơn, từ đó sản sinh ra nhiều hạt ánh sáng Các hạt ánh sáng này cứ di chuyển qua lại giữa 2 màn kính, tạo thành một dòng ánh sáng được khuêch đại, dòng ánh sáng này sẽ thoát ra ngoài một phần thông qua gương bán mạ Ánh sáng thoát ra khỏi gương ban mạ có thể truyền đi rất xa Nguyên lý hoạt động của laser được thể hiện thông qua Hình 2-4 Trong hình này, các vệt sáng màu xanh chính là các hạt photon ánh sáng, các hạt tròn màu đỏ nhỏ là các electon đang ở mức năng lượng thấp vì va phải các photon ánh sáng, còn các hạt tròn to hơn là các electron đang ở mức năng lượng cao do chưa tiếp xúc với các hạt photon ánh sáng, hai tấm gương phản xạ toàn phần và bán mạ ở hai đầu buồng cộng hưởng giúp ánh sáng có thể di chuyển qua lại trong buồng cộng hưởng, nhằm duy trì sự phản xạ kích thích.

Hình 2- 5: Nguyên lý hoạt động của laser diode [9]

LED là loại diode có thể phát quang, có thể là tia tử ngoại, tia hồng ngoại hay các ánh sáng khả kiến Trong FSO, người ta dủng LED hồng ngoại để truyền quang, vì LED hồng ngoại có tính chất định hướng LED hồng ngoại có bước sóng từ 780nm-1mm

- Về cấu tạo, một cách tổng quá thì LED gồm có 3 phần chính, đó là 2 chân cực, sợi nối và lăn kính Nền tảng của LED là sự kết hớp giữa một lớp bán dẫn loại P và một lớp bán dẫn loại n Cấu tạo chi tiết của led được biểu thị như Hình 2-5 Trong hình này, chân cực to hơn là cực âm, chân cực nhỏ là cực dương, trên cực âm có chứa chất bán dẫn và phản sáng, hai cực nổi với nhau bằng sợi nối kim loại mỏng.Ánh sáng phát ra từ chất phản sáng sẽ truyền ra khỏi LED thông qua lăng kính.

Hình 2- 6: Cấu tạo của LED[9]

- Về nguyên lý hoạt động, lớp bán dẫn loại P, chứa các lỗ trống mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn n (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối n Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối n chuyển sang Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống) Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó).

Bảng 2- 2: Một số nguồn quang [6]

Bước sóng(nm) Loại nguồn Đặc điểm

Khoảng 850 Laser phát xạ khoang cộng hưởng

Rẻ, có tính khả dụng.

Mật độ công suất thấpTốc độ khoảng 10GbpsKhoảng 1300-1500 Laser Fabry- Thời gian sống lâu

Parot Tiêu chuẩn an toàn cho mắt thấp.

Mật độ công suất cao hơn 50 lần (100 nW/Cm 2 ).

Công suất điển hình 28mW

Khoảng 1300-1500 Laser thác lượng tử Giá thành cao

Rất nhanh và độ nhạy cao.

Truyền tốt trong sương mù, nhưng không thể truyền qua thủy tinh.

Mạch điều khiển đơn giản Công suất thấp: