(Luận văn) đánh giá hiệu năng hệ thống truyền thông không dây lai ghép rf fso

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG - BÙI QUỐC VƢƠNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY LAI GHÉP RF/FSO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2016 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG - BÙI QUỐC VƢƠNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY LAI GHÉP RF/FSO CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG MÃ SỐ: 60.52.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS ĐẶNG THẾ NGỌC HÀ NỘI - 2016 i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Tác giả Bùi Quốc Vƣơng ii LỜI CẢM ƠN Để hồn thành đề tài luận văn thạc sĩ cách hoàn chỉnh, bên cạnh nỗ lực cố gắng thân cịn có hƣớng dẫn nhiệt tình Thầy, Cơ, giúp đỡ bạn bè suốt thời gian học tập nghiên cứu thực luận văn thạc sĩ Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS TS ĐẶNG THẾ NGỌC, Thầy trực tiếp hƣớng dẫn, bảo tận tình, chu đáo có nhận xét, góp ý quý báu giúp em suốt trình thực luận văn luận văn đƣợc hoàn thành Em xin gửi làm cảm ơn đến tất Thầy, Cơ giáo Học viện Cơng nghệ Bƣu Viễn thơng tận tình bảo tạo điều kiện thuận lợi để em đƣợc nghiên cứu học tập thời gian qua Hà Nội, 16 tháng 01 năm 2017 Học viên Bùi Quốc Vƣơng iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN… ii MỤC LỤC…… iii DANH MỤC HÌNH VẼ v DANH MỤC BẢNG BIỂU .vi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vii LỜI MỞ ĐẦU… CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY FSO 1.1 Giới thiệu hệ thống FSO 1.1.1 Các lợi thách thức hệ thống FSO 1.1.2 Ứng dụng công nghệ FSO 10 1.2 Mơ hình hệ thống FSO 12 1.2.1 Bộ phát 13 1.2.2 Bộ thu 16 1.3 Các yếu tố ảnh hƣởng lên hiệu hệ thống FSO 17 1.3.1 Nhiễu lƣợng tử 17 1.3.2 Nhiễu nhiệt 18 1.3.3 Nhiễu dòng tối nhiễu 19 1.3.4 Các yếu tố khác 19 1.4 Kết luận chƣơng 19 CHƢƠNG 2: CÁC MƠ HÌNH KÊNH TRUYỀN THƠNG KHƠNG DÂY 20 2.1 Suy hao hệ thống RF FSO 20 2.1.1 Suy hao hệ thống RF 20 2.1.2 Suy hao hệ thống FSO 21 2.2 Fading hệ thống RF 26 2.2.1 Hiện tƣợng đa đƣờng (Multipath) 26 2.2.2 Hiệu ứng Doppler 27 2.2.3 Các dạng kênh truyền 28 2.2.4 Các mơ hình kênh fading 30 iv 2.3 Nhiễu loạn hệ thống FSO 33 2.3.1 Nhiễu loạn khơng khí 33 2.3.2Môi trƣờng truyền dẫn 34 2.3.3Lệch hƣớng phát-thu 35 2.3.4 Mơ hình kênh nhiễu loạn khơng khí 39 2.4 Kết luận chƣơng 44 CHƢƠNG 3: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY LAI GHÉP RF/FSO 45 3.1 Giới thiệu hệ thống lai ghép RF/FSO 45 3.2Mơ hình hệ thống 45 3.2.1Mô hình kênh liên kết RF 47 3.2.2 Mơ hình kênh liên kết FSO 47 3.3 Mơ hình tốn học đánh giá hiệu hệ thống 50 3.3.1Mơ hình tốn học tính tốn xác suất dƣới ngƣỡng (dừng) 50 3.3.2 Tỷ lệ lỗi bit trung bình 51 3.3.3 Khảo sát hiệu hệ thống có lệch hƣớng 53 3.4 Các kết khảo sát 55 3.4.1 Xác suất dƣới ngƣỡng 56 3.4.2 Tỷ số lỗi bit (BER) 58 3.4.3Khảo sát hệ thống ảnh hƣởng lệch hƣớng 61 3.5 Kết luận chƣơng 63 KẾT LUẬN 64 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hiện tƣợng nghẽn cổ chai mạng Hình 1.2: Các ảnh hƣởng bên tời hệ thống FSO .8 Hình 1.3: Mơ hình hệ thống FSO 12 Hình 1.4: Cấu tạo nguyên lý hoạt động Laser 14 Hình 2.1: Hiện tƣợng truyền sóng đa đƣờng 27 Hình 2.2: Hàm truyền đạt kênh 28 Hình 2.3a: Kênh truyền chọn lọc tần số ( f0  W ) 29 Hình 2.3b: Kênh truyền chọn lọc tần số ( f0 >W ) 29 Hình 2.4: Hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh 31 Hình 2.5: Hàm mật độ xác suất phân bố Ricean: k =  dB (Rayleigh), k = dB 33 Hình 2.6: Mơ hình lệch hƣớng chùm tia 36 Hình 3.1: Mơ hình hệ thống lai ghép RF/FSO 46 Hình 3.2: Xác suất dƣới ngƣỡng hệ thống điều kiện nhiễu loạn mạnh vừa với th = dB, [10] 56 Hình 3.3: Xác suất dƣới ngƣỡng hệ thống điều kiện nhiễu loạn mạnh vừa với th = 10 dB, [10] 57 Hình 3.4: BER hệ thống môi trƣờng nhiễu loạn với điều chế BPSK (   ) C = 1, [10] 58 Hình 3.5: BER trung bình hệ thống môi trƣờng nhiễu loạn với điều chế QPSK C = 1, [10] 59 Hình 3.6: So sánh BER hai điều chế BPSK QPSK nhiễu loạn vừa phải ( =  = 1,9; C = 1), [10] 60 Hình 3.7: So sánh BER hai điều chế BPSK QPSK nhiễu loạn mạnh (  = 4,2  = 1,4) với C = 1, [10] 61 Hình 3.8: Xác suất dƣới ngƣỡng hệ thống nhiễu loạn mạnh (  = 4,2  = 1,4) với  khác th 10 dB , [10] 62 Hình 3.9: BER trung bình có lệch hƣớng môi trƣờng nhiễu loạn mạnh (  = 4,2  = 1,4) với  khác C = 1, [10] 63 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Bảng so sánh FSO số công nghệ khác Bảng 1.2: Các loại nguồn quang 15 Bảng 1.3: Bộ tách sóng FSO 17 Bảng 2.1: Các phần tử khí có kênh truyền 25 Bảng 2.2: Bán kính q trình tán xạ hạt tán xạ điển hình có khơng khí  = 850 nm 27 Bảng 2.3: Điều kiện thời tiết giá trị tầm nhìn 28 32 Bảng 2.4: Giá trị NMSE giá trị xác xấp xỉ hp Bảng 3.1: Thông số kiểu điều chế nhị phân 59 vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt APD Avalanche Photodiode Photodiode quang thác AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng AF Amplify and Forward Khuếch đại chuyển tiếp BER Bit Error Rate Tỷ lệ bit lỗi BEP Bit Error Probability Xác suất bit lỗi BPSK Binary Phase-Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân CDF Combined Distribution Frame Hàm phân phối tích lũy CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập (ngƣời dùng) DSL Digital Subcriber Line Đƣờng dây thuê bao số DWDM Dense-Wave Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng với mật độ cao FSO Free Space Optics Truyền quang qua không gian tự HFC Hybrid Fiber Coaxial Lai ghép cáp sợi quang – cáp đồng trục IM/DD Intensity Modulation/ Direct Điều chế cƣờng độ/ Tách sóng Detection trực tiếp LAN Local Area Network Mạng cục Laser Light amplication by Stimulated Khuếch đại ánh sáng phát Emission of Radiation xạ kích thích Light Emitting Diode Diode phát xạ ánh sáng LED viii LD Laser Diode Laser diode LOS Line of Sight Đƣờng nhìn thấy MAN Metropolitan Area Network Mạng đô thị MSE Mean Squared Error Sai lỗi bình phƣơng chuẩn hóa PD Photodetector Bộ tách sóng quang PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha trực giao RF Radio Frequency Tần số vô tuyến SAN Storage Area Network Mạng lƣu trữ SLC Serial Link Combiner Ghép kênh quang theo thứ tự WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng