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

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY FSO

Giới thiệu hệ thống FSO

Khác các hệ thống không dây thông thường, FSO là một công nghệ truyền quang qua không gian tự do Ƣu điểm của hệ thống này khi sử dụng là không yêu cầu phải đăng ký phổ hay phối hợp tần số với những nhà khai thác khác, đồng thời nhiễu giữa các thiết bị đƣợc hạn chế Một ƣu điểm nữa đó là tín hiệu laser điểm – điểm rất khó để can thiệp, vì thế tính bảo mật cao Tốc độ dữ liệu có thể so sánh với truyền dẫn qua sợi quang và tỉ lệ lỗi thấp Ngoài ra việc sử dụng những chùm laser có độ rộng phổ hẹp đảm bảo cho khả năng lắp đặt nhiều các bộ thu, phát ở cùng một địa điểm.

Hiện nay các nhà cung cấp dịch vụ không ngừng đƣa ra các ứng dụng nên nhu cầu về dịch vụ băng thông rộng ở trong các mạng đô thị là rất lớn Tuy nhiên, sự chênh lệch về tốc độ truyền dẫn giữa mạng lõi và mạng truy nhập đã tạo ra một sự mất cân bằng Sự mất cân bằng này thường được gọi là “nghẽn cổ chai” Hiện tượng “nghẽn cổ chai” xuất hiện ở khắp nơi trong các mạng đô thị hiện nay Các nhà cung cấp dịch vụ đang đối mặt với sự cần thiết phải thay đổi nhanh chóng và hiệu quả ở cùng một thời gian khi mà vốn đầu tƣ bị hạn chế Về mặt công nghệ, đã có rất nhiều giải pháp cho vấn đề này nhƣng hầu hết đều chƣa đạt đƣợc hiệu quả về giá trị kinh tế. Đầu tiên, lựa chọn hiển nhiên nhất để tăng dung lƣợng cho mang truy nhập đó là sử dụng cáp sợi quang Cáp sợi quang chính là giải pháp tin cậy nhất của truyền thông quang Nhưng thời gian lắp đặt và chi phí chính là cản trở của phương pháp này khi tính đến mặt kinh tế Hơn nữa, một khi đã lắp đặt sợi quang thì nó sẽ trở thành một “giá trị cố định” và không thể bố trí lại nếu khách hàng chuyển sang một nhà cung cấp dịch vụ mới, khiến cho rất khó có thể khôi phục lại giá trị hạ tầng trong một khung thời gian hợp lý.

Hình 1.1: Hiện tƣợng nghẽn cổ chai trong mạng

Một lựa chọn khác đó là công nghệ không dây sử dụng tần số vô tuyến RF (Radio Frequency) Công nghệ này cho phép truyền đi trong khoảng cách xa hơn FSO, nhƣng các mạng dựa trên RF yêu cầu sự đầu tƣ lớn khi phải đăng ký dải phổ. Hơn nữa, các công nghệ RF gặp phải khó khăn khi muốn mở rộng lên dung lƣợng cao Khi so sánh với FSO, RF không đảm bảo hiệu quả kinh tế cho các nhà cung cấp dịch vụ đang trông đợi vào sự mở rộng dung lƣợng của các mạng quang.

Lựa chọn thứ ba đó là công nghệ dựa trên dây cáp đồng (nhƣ Ethernet, T1s hay DSL) Mặc dù hạ tầng cáp đồng có mặt ở khắp nơi và số các tòa nhà sử dụng cáp đồng là cao hơn sợi quang nhƣng đây vẫn không phải là một giải pháp thỏa đáng trong việc giải quyết hiện tƣợng nghẽn cổ chai do trở ngại lớn nhất chính là độ rộng băng thông Công nghệ cáp đồng có thể giải quyết một số vấn đề ngắn hạn, nhƣng hạn chế về băng thông chỉ ở mức 2Mbit – 3Mbit/s khiến cho công nghệ này chỉ là một giải pháp tạm thời.

Giải pháp thứ tƣ và thích hợp nhất chính là FSO Công nghệ này là một giải pháp tối ƣu nhờ những ƣu điểm của công nghệ quang nhƣ độ rộng băng thông, tốc độ triển khai (vài giờ so với vài tuần hoặc vài tháng), độ mềm dẻo (có thể tái triển khai và chuyển dịch), hiệu quả kinh tế cao (trung bình chi phí lắp đặt chỉ bằng 1/5 so với lắp đặt cáp quang) Với các nhà cung cấp mạng đô thị MAN (Metropolitan AreaNetwork) thì vấn đề “dặm cuối” (last mile) đang làm nản chí các nhà cung cấp trong các dịch vụ băng thông rộng FSO có thể giải quyết vấn đề này và cho phép các khách hàng mới có thể truy nhập vào mạng MAN tốc độ cao.

Bảng 1.1: Bảng so sánh FSO và một số công nghệ khác

Cáp đồng Sóng viba Vệ tinh FSO quang (CAT-5)

500Mbps 275Mbps 90Mbps 100Mbps- Đa dạng truyền 1.000Mbps 100Gbps

Cài đặt Dễ dàng Trung

Khó Khó Khó Trung bình bình

Chi phí Ít nhất (không Cao bình bình bình tính giá vệ tinh)

Thấp Thấp Thấp Thấp bình

Trung Trung cần thiết Thấp Cao Cao Cao bình bình để cài đặt Đối tƣợng Mạng Mạng đa Điểm – Điểm – Điểm – Giữa các sử dụng LAN trong điểm điểm, điểm, điểm tòa nhà, thông các tòa nhà khoảng khoảng khoảng dụng cách ngắn cách dài cách ngắn

Rẻ, thân Ít gây Tốc độ Tốc độ, Bảo mật, Giá cả, thiện, dễ nhiễu tới tính di dung hiệu năng Ƣu điểm cài đặt, các thiết động cao lƣợng lớn, hợp lý phổ biến bị khác, không tốc độ cao chịu ảnh

Gây nhiễu, Kềnh Có thể bị Trễ Khó ghép Có thể bị bị giới hạn càng, khó chặn truyền nối chặn khoảng sử dụng sóng, có

Nhƣợc cách nếu thể bị điểm không có chặn bộ lặp hay bộ khuếch đại

Bảo mật Tốt Tốt Kém Kém Rất tốt Tốt

Cáp xoắn Băng rộng Yêu cầu Ít sử dụng Chƣa có Công cho phép yêu cầu đăng ký cho các giới hạn nghệ mới

Ghi chú tốc độ cao cường độ sóng từ mạng cá về dung hơn nhƣng bảo trì FCC nhân lƣợng khó sử cao hơn dụng

Môi trường truyền dẫn của hệ thống FSO là không gian tự do, phụ thuôc vào phạm vi truyền dẫn mà hệ thống FSO đƣợc phân loại thành 2 loại chính nhƣ sau: FSO trong nhà (Indoor FSO) và FSO ngoài trời (Outdoor FSO). Đối với FSO trong nhà thì môi trường truyền dẫn chính là khoảng không ở trong các tòa nhà Đây là môi trường khá ổn định, không chịu nhiều biến đổi, chi phối của khí hậu bên ngoài.

FSO ngoài trời thì ngược lại Môi trường truyền dẫn của loại này chính là bầu khí quyển Là môi trường có tính ổn định kém do chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ các yếu tố môi trường như sương mù, mưa và nhiễu từ ánh sáng bên ngoài …

1.1.1 Các lợi thế và thách thức của hệ thống FSO

 Các lợi thế của FSO

- Không yêu cầu giấy phép phổ tần vô tuyến.

- Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ.

- Dễ dàng triển khai lắp đặt.

- Khả năng bảo mật cao.

Công nghệ FSO có thể đáp ứng rất nhiều ƣu điểm, khi so sánh với công nghệ cáp sợi Các hệ thống FSO có thể đƣợc triền khai với rất nhiều các kiến trúc mạng, đƣợc lắp đặt từ nóc nhà tới nóc nhà, cửa sổ tới cửa sổ hoặc tùy theo yêu cầu Nó cũng có thể được thực hiện cho các ứng dụng xách tay, và trong một vài trường hợp việc sản xuất này còn có chi phí thấp hơn các đường truyền cáp quang Vì vậy, công nghệ FSO giúp loại bỏ quá trình triển khai tốn kém Truyền thông FSO analog có thể giảm các thiết bị truyền dẫn khi so sánh với việc thực hiện số.

Khi so sánh với các đường truyền vô tuyến, các đường truyền FSO không cần sự cấp phép, nó có tính đề kháng cao đối với các loại nhiễu điện từ BMI (Electromagnetic Interference), và cung cấp tính bảo mật đường truyền tốt hơn Hơn nữa, các đường truyền FSO cũng có tính đề kháng cao với các nhiễu từ các nguồn khác của bức xạ quang Chùm tia FSO không thể bị phát hiện bằng các bộ phân tích phổ hay các máy đo RF Sự truyền dẫn laser FSO là toàn quang và truyền dọc theo đường nhìn thẳng LOS (Line-of-Sight) mà không thể bị can thiệp dễ dàng Các chùm laser đƣợc tạo bởi hệ thống FSO là hẹp và không nhìn thấy đƣợc Dữ liệu có thể đƣợc truyền qua kết nối đƣợc bảo mật bổ sung cho các mạng truyền dẫn FSO. Đối với nhà cung cấp giải pháp mạng đô thị băng thông rộng thì FSO là một giải pháp vô cùng hiệu quả Hệ thống này có thừa băng thông (200 THz trong phạm vi bước sóng 700-1500 nm) Ví dụ với một mạng đô thị, việc triền khai một hệ thống cáp quang hay thuê lại của nhà cung cấp dịch vụ đều là giải pháp tốn kém Với FSO,chúng ta có thể thiết lập một hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao một cách nhanh chóng, an toàn và chi phí thấp, không tốn nhiều tiền để bảo dƣỡng và hạn chế tối đa

8 các rủi ro khách quan Hơn nữa còn góp phần làm cho bộ mặt của nội thị văn minh hơn.

 Các thách thức đối với hệ thống FSO

Giới hạn cơ bản của FSO do môi trường truyền dẫn gây ra Ngoài việc tuyết và mưa có thế làm cản trở đường truyền quang, FSO chịu ảnh hưởng mạnh bởi sương mù và sự nhiễu loạn của không khí Những thách thức chính trong việc thiết kế các hệ thông FSO.

Hình 1.2: Các ảnh hưởng bên ngoài tời hệ thống FSO

Sương mù: Sương mù là một thách thức chính Sương mù là hơi nước được tập hợp từ những giọt nước nhỏ có đường kính vài trăm micro mét nhưng có thể làm thay đổi đặc tính truyền lan của ánh sáng hoặc ngăn cản hoàn toàn sự truyền lan của ánh sáng thông qua sự kết hợp của các hiện tƣợng hấp thụ, tán xạ và phản xạ Điều này có thể dẫn đến sự suy giảm mật độ công suất của búp sóng phát, giảm cự ly hoạt động của tuyến FSO.

Sự nhấp nháy: Sự nhấp nháy là sự biến đổi về không gian của cường độ sáng gây ra bởi sự hỗn loạn không khí Gió và sự thay đổi nhiệt độ tạo ra những túi khí có mật độ thay đổi nhanh dẫn tới sự thay đổi nhanh chỉ số chiết xuất, đó chính là nguyên nhân gây ra sự hỗn loạn Các túi khí này đóng vai trò nhƣ những thấu kính có đặc tính thay đổi theo thời gian và làm tỷ lệ lỗi bit của các hệ thống FSO tăng mạnh, đặc biệt là khi có ánh sáng mặt trời.

Sự trôi búp: Sự trôi búp xảy ra khi luồng gió hỗn loạn (gió xoáy) lớn hơn đường kính của búp sóng quang gây ra sự dịch chuyển chậm nhưng đáng kể của búp sóng quang Sự trôi búp cũng có thể là kết quả của các hoạt động địa chấn gây ra sự dịch chuyển tương đối giữa vị trí của laser phát và bộ thu quang.

Mô hình hệ thống FSO

Hệ thống FSO gồm ba phần: bộ phát, kênh truyền và bộ thu.

Hình 1.3: Mô hình hệ thống FSO

Dữ liệu đầu vào phía nguồn đƣợc truyền tới một đích ở xa Phía nguồn có cơ chế điều chế sóng mang quang riêng, chẳng hạn nhƣ điều chế laser, tín hiệu quang sau đó sẽ đƣợc truyền đi qua kênh khí quyển Các tham số của hệ thống phát quang là kích cỡ, công suất và chất lượng búp sóng, các tham số này xác định cường độ laser và góc phân kỳ nhỏ nhất có thể đạt được từ hệ thống Phương thức điều chế được sử dụng rộng rãi tại bộ phát là điều chế cường độ (IM), trong đó cường độ phát xạ của nguồn quang sẽ đƣợc điều chế bởi số liệu cần truyền đi Việc điều chế đƣợc thực hiện thông qua việc thay đổi trực tiếp cường độ của nguồn quang tại bộ phát hoặc thông qua bộ điều chế ngoài nhƣ bộ giao thoa MZI Việc sử dụng một bộ điều chế ngoài nhằm đảm bảo tốc độ dữ liệu đạt đƣợc cao hơn so với bộ điều chế trực tiếp Các thuộc tính khác của trường bức xạ quang như pha, tần số và trạng thái phân cực cũng có thể đƣợc sử dụng để điều chế với cùng với dữ liệu/thông tin thông qua việc sử dụng bộ điều chế ngoài.

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) có nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích Ngày nay, bộ phát laser trở thành một phần tử thiết yếu trong hệ thống viễn thông, nó đóng vai trò là bộ phát chính trong hệ thống thông tin quang nói chung và đƣợc ứng dụng trong thông tin quang trong không gian tự do đƣợc xét đến trong đề tài này.

Ban đầu bộ phát laser được phỏng theo Master, một thiết bị có cơ chế tương tự nhƣng tạo ra tia vi sóng hơn là các bức xạ ánh sáng Master đầu tiên không có khả năng phát ra các chùm bức xạ liên tiếp và người tìm ra giải pháp khắc phục vấn đề này là các nhà khoa học Nga, Nikolai Basov và Aleksandr Prokhorov Năm 1964 hai nhà khoa học này vinh dự nhận giải Nobel vật lý cùng với tiến sỹ Townes.

Laser hồng ngọc, một laser chất rắn, đƣợc tạo ra lần đầu tiên vào năm 1960,bởi nhà vật lý Theodore Maiman tại phòng thí nghiệm Hughes ở Malibu, California.Hồng ngọc là oxit nhôm pha lẫn crôm Crôm hấp thụ ánh sáng màu xanh lá cây và xanh lục, để lại duy nhất tia sáng màu hồng phát ra.

Cấu trúc cơ bản của Laser gồm nhiều lớp bán dẫn không đồng nhất để tạo thành cấu trúc dị thể kép và được cấu tạo dưới dạng khoang cộng hưởng Fabry- Perot Khoang cộng hưởng là một hình hộp chữ nhật sáu mặt có khả năng giam hãm photon và các hạt tải điện Khoang cộng hưởng có kích thước rất nhỏ, dài từ 250 đến

500 àm, rộng từ 5 đến 15 àm và dày từ 0,1 đến 0,2 àm.

Hai tiếp giáp dị thể kép nằm phía dưới và phía trên lớp hoạt tính và chiết suất của hai lớp hạn chế nhỏ hơn chiết suất lớp hoạt tính đã tạo ra khả năng giam hãm photon và hạt tải điện theo chiều ngang.

Nguyên lý cấu tạo chung của một bộ phát laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang Trong đó buồng cộng hưởng với hoạt chất laser là bộ phận chủ yếu Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, đó là một chất đặc biệt có khả năng khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cƣỡng bức để tạo ra tia laser Khi một photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là một photon khác bay ra theo cùng hướng với photon tới Mặt khác buồng cộng hưởng có 2 mặt chắn ở hai đầu, một phản xạ hoàn toàn các photon khi bay tới, mặt kia cho một phần photon qua một phần phản xạ lại làm cho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn Vì thế cường độ chùm laser được khuếch đại lên nhiều lần.

Hình 1.4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Laser

Ngoài ra, việc tạo tín hiệu phát cũng đƣợc thực hiện bởi các loại nguồn khác nhau đƣợc mô tả trong bảng 1.2.

Bảng 1.2: Các loại nguồn quang

Bước sóng Loại Ghi chú

Phát xạ mặt khoang cộng Rẻ và có tính khả dụng

~850 hưởng dọc Không có hoạt động làm mát, mật độ công suất thấp, tốc độ lên tới ~10Gbps Thời gian sống lâu

Tiêu chuẩn an toàn cho mắt thấp hơn

Mật độ công suất cao hơn 50 lần (100nW/cm ) Phân phối – phát phản xạ

Tương thích với EDFA Tốc độ cao, lên tới 40Gbps Độ dốc hiệu quả 0,03-0,2 W/A Đắt tiền và tương đối mới Rất nhanh và độ nhạy cao

~10000 Thác lượng tử Truyền dẫn trong sương mù tốt hơn

Thành phần chế tạo không có sẵn Không thâm nhập qua thủy tinh

Gần hồng ngoại LED Mạch điều khiển đơn giản

Công suất và tốc độ dữ liệu thấp hơn

Trong dải bước sóng 700 – 10.000 nm có một số cửa sổ truyền hầu như trong suốt với suy hao < 0,2 dB/km Các hệ thống FSO chủ yếu đƣợc thiết kế để hoạt động trong dải 780-850 nm và 1520 – 1600 nm Dải 780 – 850 nm hầu nhƣ đƣợc sử dụng rộng rãi bởi vì thiết bị và thành phần trong dải bước sóng này có sẵn và chi phí thấp. Dải 1550 nm đƣợc quan tâm vì một số lý do sau: a) khả năng tương thích với các mạng ghép kênh phân chia theo bước sóng cửa sổ thứ 3. b) bảo vệ mắt (công suất phát tại bước sóng 1550 nm có thể gấp 50 lần so với tại 850 nm). c) giảm được năng lượng mặt trời và tán xạ ánh sáng trong mây mù/sương mù.

Vì vậy, ở dải 1550 nm có thể truyền đƣợc một công suất đáng kể vƣợt qua việc suy hao bởi sương mù Tuy nhiên hạn chế của dải 1550 nm độ nhạy giảm, chi phí linh kiện cao hơn và yêu cầu liên kết chặt chẽ.

Bộ thu hỗ trợ việc khôi phục các dữ liệu đã đƣợc phát đi từ phía phát Bộ thu bao gồm các thành phần sau:

Khẩu độ thu – Tập hợp và tập trung các phát xạ quang tới bộ tách sóng quang.

Khẩu độ (độ mở) của bộ thu lớn sẽ giúp tập hợp đƣợc nhiều phát xạ quang vào bộ tách sóng quang.

Bộ lọc thông dải quang – Bộ lọc thông dải làm giảm lƣợng bức xạ nền.

Bộ tách sóng quang – PIN hoặc APD chuyển đổi trường quang đến thành tín hiệu điện Các bộ tách sóng quang thường được dùng trong các hệ thống truyền thông quang hiện nay đƣợc tóm tắt trong bảng 1.3.

Mạch xử lý tín hiệu – Có chức năng khuếch đại, lọc và xử lý tín hiệu để đảm bảo tính chính xác cao của dữ liệu đƣợc khôi phục.

Bảng 1.3: Bộ tách sóng FSO

Vật liệu/cấu trúc Bước sóng (nm) Đáp ứng Độ lợi

Silicon PIN, với bộ 300 _ 1100 0,5 1 khuếch đại phối hợp trở kháng

Có hai loại bộ thu quang cơ bản: bộ thu không kết hợp và bộ thu kết hợp Bộ thu không kết hợp tách trực tiếp công suất tức thời của trường quang tập trung khi chúng tới bộ thu, do đó thường được gọi là bộ thu tách trực tiếp hoặc tách công suất.

Loại bộ thu này là loại đơn giản nhất trong việc thực hiện và có thể đƣợc sử dụng bất cứ khi nào thông tin truyền đi xuất hiện sự biến đổi công suất (ví dụ IM) của trường quang Đối với bộ thu kết hợp, hay còn gọi là bộ thu heterodyne, trộn lẫn trường sóng ánh sáng cục bộ phát ra với trường ánh sáng thu được, và sóng kết hợp này sẽ được tách photon Loại bộ thu này thường được sử dụng khi thông tin được điều chế dựa trên sóng mang quang sử dụng điều biên (AM), điều tần (FM) hoặc điều pha (PM), và là cần thiết cho tách sóng FM hoặc PM.

Quá trình tách của các trường quang bị tác động bởi nhiều loại nguồn nhiễu khác nhau xuất hiện tại bộ thu Ba loại nguồn nhiễu chủ yếu trong truyền thông FSO là: ánh sáng nền xung quanh, bộ tách photon gây ra nhiễu, và nhiễu nhiệt trong mạch điện tử Mặc dù bức xạ nền có thể đƣợc hạn chế bằng cách sử dụng bộ lọc quang, nó vẫn gây ra nhiễu đáng kể trong quá trình tách Nhiễu lƣợng tử của bộ tách bắt nguồn từ sự ngẫu nhiên của quá trình đếm photon tại bộ tách photon Nhiễu nhiệt có thể được mô hình hóa dưới dạng nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN), có mức phổ tỷ lệ thuận với nhiệt độ bộ thu.

Các yếu tố ảnh hưởng lên hiệu năng của hệ thống FSO

Nhiễu chủ yếu đi kèm với bộ tách quang đƣợc gọi là nhiễu lƣợng tử hay nhiễu nổ Khi một sóng ánh sáng chƣa điều chế đƣợc đo bởi một bộ tách quang, ta thu đƣợc hai thành phần dòng điện ở đầu ra Phần tử thứ nhất là dòng DC, và phần tử thứ hai là tín hiệu nhiễu lƣợng tử không mong muốn Nhiễu lƣợng tử phát sinh từ tính chất thống kê tự nhiên của sự sinh ra và tái hợp của các phần tử quang điện riêng biệt khi một tín hiệu quang đi tới một bộ tách sóng quang Chúng có mật độ công suất bằng nhau tại tất cả các tần số Nếu mạch điện tử sau bộ tách sóng quang chỉ sử dụng băng thông tần số f , giá trị trung bình bình phương biên độ dòng điện của nhiễu lƣợng tử là: i SN 2  2ei s fTrong đó e là độ lớn của điện tích electron và i s là dòng tách quang trung bình nhƣ trong công thức (1.1). Đối với đi-ốt tách quang APD, còn có một dạng nhiễu liên quan với nhiễu thừa đƣợc tạo ra bởi quá trình nhân thác ngẫu nhiên Dạng nhiễu F(g) này đƣợc định nghĩa là tỉ số của nhiễu thực tế đƣợc tạo ra trong một đi-ốt tách quang thác với nhiễu tồn tại khi tất cả các cặp sóng mang đƣợc nhân bởi g và đƣợc cho bởi:

2 g 2 trong đó g 2 là hệ số nhân trung bình bình phương và có thể được xấp xỉ bằng g 2+x với x thay đổi trong khoảng 0 đến 1 tùy thuộc vào vật liệu và cấu trúc Do đó, trung bình bình phương biên độ dòng điện của nhiễu lượng tử đối với APD là: i SN 2  2ei s g 2 F  g f  2ei M F  g f

Nhiễu nhiệt, hay còn gọi là nhiễu Johnson hoặc nhiễu Nyquist, đƣợc gây ra bởi sự rối loạn nhiệt độ của điện tích các sóng mang đi qua một điện trở Ở các nhiệt độ trên nhiệt độ 0 tuyệt đối, năng lƣợng nhiệt của các điện tích sóng mang trong bất cứ điện trở nào cũng dẫn tới sự thay đổi trong mật độ điện tích cục bộ Những điện tích thay đổi này gây ra các gradient điện áp cục bộ mà có thể tạo ra một dòng điện tương ứng trong phần còn lại của mạch điện Nếu các mạch điện chỉ hoạt động với băng thông f và điện trở R L là hằng số trong băng thông này, khi đó trung bình bình phương biên độ dòng điện của nhiễu Johnson i JN 2 được cho bởi: i 2  4kT f

Trong đó k là hằng số Boltzmann và T là nhiệt độ tuyệt đối Một cách để làm giảm loại nhiễu này đó là làm nguội thành phần xuất hiện nhiễu xuống một nhiệt độ thấp hơn.

1.3.3 Nhiễu dòng tối và nhiễu nền

Dòng tối là dòng điện tiếp tục chảy qua mạch định thiên của thiết bị ngay cả khi không có ánh sáng tới đi-ốt tách quang Nó phát sinh từ các điện tử hoặc lỗ trống đƣợc tạo ra trong lớp tiếp giáp p-n của đi-ốt tách quang Dòng tối chủ yếu phụ thuộc vào loại vật liệu bán dẫn, nhiệt độ hoạt động, và điện áp định thiên, và đặc trƣng tỉ lệ theo exp(-E g /kT) Dựa vào các loại vật liệu, các giá trị của dòng tối nằm trong khoảng từ 100 pA đối với Si và lên tới 100 nA đối với Ge Nhiễu nền đƣợc gây ra bởi ánh sáng mà không phải là thành phần của các tín hiệu đƣợc truyền đi, chẳng hạn nhƣ các ánh sáng ở xung quanh Nếu đi-ốt tách quang không đƣợc cách biệt với bức xạ nền thì sự xuất hiện của loại nhiễu này là không thể tránh khỏi Do tính rời rạc và tính ngẫu nhiên của cả dòng tối và bức xạ nền, những loại nguồn nhiễu này đều tương tự nhƣ nhiễu lƣợng tử.

 Sự lệch chùm sáng – Góc lệch của chùm sáng so với tầm nhìn thẳng ban đầu khiến cho bộ thu không thu đƣợc tín hiệu.

 Sự mở rộng của chùm sáng – Mở rộng chùm sự phân kỳ của chùm sáng do tán xạ Do đó làm giảm mật độ công suất thu đƣợc.

 Sự nhấp nháy của chùm sáng – Sự thay đổi mật độ công suất trong không trung tại mặt phẳng thu gây ra bởi sự can thiệp của nhiễu nhỏ có trong chùm quang.

 Sự suy giảm tính nhất quán trong không gian – Sự nhiễu loạn của không khí cũng gây ra tổn thất về tính nhất quán (kết hợp) về pha của chùm quang Điều này đặc biệt ảnh hưởng mạnh cho các bộ thu làm việc dựa trên nguyên lý trộn photon (ví dụ trong bộ thu nhất quán).

 Sự biến động phân cực chùm quang thu đƣợc sau khi đi cực biến động là không đáng kể nhiễu loạn.

– Kết quả từ sự thay đổi trạng thái của phân cực của qua môi trường nhiễu loạn Tuy nhiên, lượng phân khi một bức xạ quang ngang đi qua vùng không khí

Kết luận chương 1

Nội dung chương 1 đã giới thiệu khái quát về hệ thống truyền thông quang qua không gian tự do cũng như mô hình của hệ thống FSO, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống Tương lai ngày càng đòi hỏi phải có các giải pháp truyền dẫn tốc độ cao để đáp ứng yêu cầu của các doanh nghiệp, tổ chức và cá nhân Các giải pháp cũng cần phải có chi phí hiệu quả, triển khai nhanh, truyền dẫn thông tin một cách an toàn và tin cậy FSO có thể đáp ứng các yêu cầu này và sẽ đƣợc sử dụng ngày càng nhiều trong tương lai.

CÁC MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY

Suy hao trong hệ thống RF và FSO

2.1.1 Suy hao trong hệ thống RF

Chất lƣợng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà tín hiệu đƣợc truyền từ máy phát đến máy thu Không giống nhƣ kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán đƣợc, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích Tín hiệu đƣợc phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ…, làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm, các hiện tƣợng này đƣợc gọi chung là fading Và kết quả là ở máy thu, ta thu đƣợc rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến.

Hiện tƣợng fading trong một hệ thống thông tin có thể đƣợc phân thành hai loại: fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale fading).

Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc độ suy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng Hiện tƣợng này chịu ảnh hưởng bởi sự cao lên của địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà cao tầng) giữa máy phát và máy thu Người ta nói phía thu bị che khuất bởi các vật cản cao Các thống kê về

21 hiện tƣợng fading tầm rộng cho phép ta ƣớc lƣợng độ suy hao kênh truyền theo hàm của khoảng cách.

Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu Điều này xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bước sóng) giữa phía phát và phía thu Fading tầm hẹp có hai nguyên lý - sự trải thời gian (time- spreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time-variant) của kênh truyền Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền là biến đổi theo thời gian vì sự di chuyển của phía phát và phía thu dẫn đến sự thay đổi đường truyền sóng.

Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống di động:

- Phản xạ xảy ra khí sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng phẳng với kích thước rất lớn so với bước sóng tín hiệu RF.

- Nhiễu xạ xảy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trở bởi một nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng Nhiễu xạ là hiện tƣợng giải thích cho nguyên nhân năng lƣợng RF đƣợc truyền từ phía phát đến phía thu mà không cần đường truyền thẳng Nó thường được gọi là hiệu ứng chắn (shadowing) vì trường tán xạ có thể đến được bộ thu ngay cả khi bị chắn bởi vật cản không thể truyền xuyên qua.

- Tán xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm cho năng lượng bị trải ra (tán xạ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hướng Trong môi trường thành phố, các vật thể thường gây ra tán xạ là cột đèn, cột báo hiệu, tán lá.

2.1.2 Suy hao trong hệ thống FSO

Bức xạ mặt trời bị hấp thụ bởi bề mặt Trái Đất làm cho không khí xung quanh bề mặt Trái Đất nóng hơn so với không khí tại những điểm cao hơn so với mực nước biển Lớp khí nóng này trở nên mỏng đi và bốc lên cao để hòa trộn một cách hỗn loạn với các vùng không khí lạnh hơn ở xung quanh, làm cho nhiệt độ không khí thay đổi một cách ngẫu nhiên Sự không đồng nhất gây ra bởi sự nhiễu loạn là của các ô nhỏ rời rạc, hoặc các xoáy lốc với nhiệt độ khác nhau, hoạt động nhƣ những lăng kính khúc xạ có các kích cỡ khác nhau và các chỉ số khúc xạ khác nhau Sự tương tác giữa búp sóng laser và môi trường nhiễu loạn dẫn tới kết quả là pha và biên độ của búp sóng quang mang thông tin thay đổi một cách ngẫu nhiên, làm cho hiệu năng của liên kết FSO bị suy giảm.

Khi một búp sóng laser lan truyền qua môi trường khí quyển, phân bố không gian thay đổi ngẫu nhiên của chỉ số khúc xạ mà búp sóng laser gặp phải gây ra một số tác động Bao gồm:

- Cường độ thăng giáng quan sát được tại một bộ tách quang đặt tại cuối đường truyền Hiện tượng này được gọi là sự nhấp nháy (scintillation).

- Mức độ thay đổi của sự thăng giáng so với kích cỡ của bộ tách sóng quang, hoặc với kích cỡ của bộ thu quang dùng để điều khiển ánh sáng đã đƣợc tập hợp tới bộ tách Hiện tƣợng này đƣợc gọi là độ mở trung bình.

- Nếu một búp sóng dạng Gaussian đối xứng tròn đƣợc quan sát thấy tại các khoảng cách khác nhau từ một bộ phát, nó bị suy giảm dần với sự tăng lên của khoảng cách và độ mạnh của sự nhiễu loạn Các sự thay đổi lũy tiến đƣợc quan sát thấy là: (i) Độ lệch của dạng búp sóng phụ thuộc vào thời gian.

(ii) Lệch hướng trọng tâm của búp sóng.

(iii) Sự tăng lên của độ rộng búp sóng vƣợt quá dự kiến do sự nhiễu xạ.

(iv) Sự đứt gãy của búp sóng thành các phần riêng biệt của cường độ sáng có hình dạng và vị trí thay đổi theo thời gian.

Gió làm dịch chuyển không khí có thể gây ra dịch chuyển trọng tâm của chùm tia, nhƣng về bản chất gió không làm thay đổi ngẫu nhiên chùm tia laser nhƣ sự nhiễu loạn Gió và sự không đồng nhất của nhiệt độ tạo ra những xoáy lốc, những ô nhỏ hay những túi khí có kích thước thay đổi từ 0,1 cm đến 10 m, dẫn tới sự thay đổi nhanh chỉ số khúc xạ, đó là nguyên nhân gây ra sự nhiễu loạn Các túi khí này đóng vai trò nhƣ những thấu kính có đặc tính thay đổi theo thời gian Sự lan truyền của ánh sáng trong không gian theo đó sẽ bị lệch hướng một phần hay lệch hướng hoàn toàn là phụ thuộc vào mối quan hệ giữa kích thước của chùm sáng phát ra và mức độ không đồng nhất của nhiệt độ Chính vì vậy, ánh sáng khi đi qua vùng khí quyển bị nhiễu loạn sẽ thay đổi một cách ngẫu nhiên (fading) về pha hay biên độ Ví dụ đơn giản về ảnh hưởng của sự nhiễu loạn là ánh sáng nhấp nháy của những ngôi sao, hay ánh sáng mờ ảo cuối đường chân trời mà ta nhìn thấy vào những ngày nắng nóng.

Nhiễu loạn không khí thường được phân loại theo các mô hình phụ thuộc vào độ lớn của sự thay đổi chỉ số khúc xạ và sự không đồng nhất Các mô hình này là một hàm của khoảng cách truyền dẫn, bức xạ quang qua môi trường khí quyển và được phân loại theo các mức độ yếu, trung bình và mạnh.

Suy hao khi truyền tín hiệu trong bầu khí quyển của hệ thống FSO là hệ quả của quá trình hấp thụ và tán xạ Nồng độ của vật chất trong khí quyển gây ra việc suy hao tín hiệu khác nhau theo không gian và thời gian, và sẽ phụ thuộc vào điều kiện thời tiết của từng vùng Với một tuyến FSO trên mặt đất, cường độ tín hiệu thu được tại khoảng cách L từ bộ phát có quan hệ với cường độ tín hiệu phát theo quy luật Beer – Lambert nhƣ sau:

Trong đó     và   , L  tương ứng là hệ số suy hao (m -1 ) và suy hao tổng tại bước sóng  Suy hao của tín hiệu quang trong không khí là do sự hiện diện của các phần tử khí có trong khí quyển và hơi nước Hệ số suy hao là tổng của hệ số hấp thụ và tán xạ từ hơi nước và các phân tử khí trong khí quyển, được tính như sau:

Hai hệ số đầu là hệ số hấp thụ do hơi nước và các phần tử khí trong khí quyển, hai hệ số sau tương ứng là hệ số tán xạ do hơi nước và các phần tử khí. a) Hấp thụ - xảy ra khi có một sự tương tác giữa các photon và các phần tử khí trong quá trình truyền lan trong khí quyển Một số photon bị hấp thụ và năng lƣợng của chúng biến thành nhiệt Hệ số hấp thụ phụ thuộc rất nhiều vào các loại khí và mật độ của chúng Sự hấp thụ phụ thuộc bước sóng và do đó có tính chọn lọc. Điều này dẫn tới bầu không khí có các vùng trong suốt – dải bước sóng có độ hấp thụ tối thiểu – được xem như là cửa sổ truyền Tuy nhiên, các bước sóng sử dụng trong FSO về cơ bản đƣợc chọn để trùng với các cửa sổ truyền lan trong không khí, kết quả là hệ số suy hao đƣợc chi phối bởi sự tán xạ Do đó       a  . b) Tán xạ - là kết quả của việc phân bố lại góc trường quang khi có và không có sự thay đổi bước sóng Ảnh hưởng của tán xạ phụ thuộc vào bán kính r của các hạt

(sương mù, hơi nước) gặp phải trong quá trình truyền lan Một cách mô tả hiện tƣợng này là xét tham số kích cỡ x 0  2 r /  Nếu x 0 =1 thì tán xạ là tán xạ

Fading trong hệ thống RF

2.2.1 Hiện tượng đa đường (Multipath)

Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không bao giờ đƣợc truyền trực tiếp đến anten thu Điều này xảy ra là do giữa nơi phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp Do vậy, sóng nhận đƣợc chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác Hiện tƣợng này đƣợc gọi là sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation) Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch

27 pha và có ảnh hưởng lẫn nhau Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể đƣợc khôi phục lại hoặc bị hƣ hỏng hoàn toàn Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau Hiện tương này gọi là sự phân tán đáp ứng xung (impulse dispersion) Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính và có thể đƣợc bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng.

Hình 2.1: Hiện tượng truyền sóng đa đường

Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu nhƣ trình bày ở hình 2.3 Bản chất của hiện tƣợng này là phổ của tín hiệu thu đƣợc bị xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler.

Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là  n , khi đó tần số Doppler của tuyến này là: f D  v f 0 cos  n  c n

Trong đó f 0 , v, c lần lƣợt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển động tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng Nếu  n  0 thì tần số Doppler lớn nhất sẽ là: f  v f

Hình 2.2: Hàm truyền đạt của kênh

Giả thiết tín hiệu đến máy thu bằng nhiều luồng khác nhau với cường độ ngang hàng nhau ở khắp mọi hướng, khi đó phổ của tín hiệu tương ứng với tần số Doppler đƣợc biểu diễn nhƣ sau:

0 các trường hợp còn lại

Tùy theo đáp ứng tần số của kênh truyền và băng thông của tín hiệu phát mà ta có:

- Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số.

- Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc thời gian. a) Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số

Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảng tần số mà trong khoảng đó, đáp ứng tần số của kênh truyền là gần nhƣ nhau tại mọi tần số (có thể xem là phẳng), khoảng tần số này đƣợc gọi là Coherent Bandwidth và đƣợc ký hiệu trên hình 2.3a là f0.

Hình 2.3a: Kênh truyền chọn lọc tần số ( f 0  W )

Trên hình 2.3a, ta nhận thấy kênh truyền có f0 nhỏ hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát Do đó, tại một số tần số trên băng tần, kênh truyền không cho tín hiệu đi qua, và những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu đƣợc truyền đi chịu sự suy giảm và dịch pha khác nhau Dạng kênh truyền nhƣ vậy đƣợc gọi là kênh truyền chọn lọc tần số.

Hình 2.3b: Kênh truyền chọn lọc tần số ( f 0 >W )

Ngƣợc lại, trên hình 2.3b, kênh truyền có f0 lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát, mọi thành phần tần số của tín hiệu đƣợc truyền qua kênh chịu sự suy giảm và dịch pha gần nhƣ nhau Chính vì vậy, kênh truyền này đƣợc gọi là kênh truyền không chọn lọc tần số hoặc kênh truyền fading phẳng. b) Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số

Kênh truyền vô tuyến luôn thay đổi liên tục theo thời gian, vì vậy các vật chất trên đường truyền luôn thay đổi về vị trí, vận tốc,…, luôn luôn có những vật thể mới xuất hiện và những vật thể cũ mất đi….Sóng điện từ lan truyền trên đường truyền

30 phản xạ, tán xạ… qua những vật thể này nên hướng, góc, pha, biên độ cũng luôn thay đổi theo thời gian.

Tính chất này của kênh truyền đƣợc mô tả bằng một tham số, gọi là coherent time Đó là khoảng thời gian mà trong đó, đáp ứng thời gian của kênh truyền thay đổi rất ít (có thể xem là phẳng về thời gian).

Khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất lớn so với coherent time thì kênh truyền đó đƣợc gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian Ngƣợc lại, khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất nhỏ so với coherent time thì kênh truyền đó là đƣợc gọi là kênh truyền không chọn lọc thời gian hay phẳng về thời gian.

2.2.4 Các mô hình kênh fading cơ bản

 Mô hình kênh fading Reyleigh

Trong những kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thường được dùng để mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phẳng thu được hoặc đường bao của một thành phần đa đường riêng lẻ Chúng ta biết rằng đường bao của tổng hai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao tuân theo phân bố Rayleigh Phân bố

Rayleigh có hàm mật độ xác suất:

Với σ là giá trị rms (hiệu dụng) của điện thế tín hiệu nhận được trước bộ tách đường bao (evelope detection) σ 2 là công suất trung bình theo thời gian.

Xác suất để đường bao của tín hiệu nhận được không vượt qua một giá trị R cho trước được cho bởi hàm phân bố tích lũy:

Giá trị trung bình rmean của phân bố Rayleigh đƣợc cho bởi:

Và phương sai  2 (công suất thành phần ac của đường bao tín hiệu): r

Giá trị hiệu dụng của đường bao là 2 (căn bậc hai của giá trị trung bình bình phương) Giá trị median của r tìm được khi giải phương trình: r median

Hình 2.4: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh

Vì vậy giá trị mean và median chỉ khác nhau môt lượng là 0,55dB trong trường hợp tín hiệu Rayleigh fading Chú ý rằng giá trị median thường được sử dụng trong thực tế vì dữ liệu Rayleigh fading thường được đo trong những môi trường mà chúng ta không thể chấp nhận nó tuân theo một phân bố đặc biệt nào Bằng cách sử dụng giá trị median thay vì giá trị trung bình, chúng ta dễ dàng so sánh các phân bố fading khác nhau (có giá trị trung bình khác nhau) Hình 2.4 minh họa hàm mật độ xác suất

 Mô hình kênh fading Ricean

Trong trường hợp fading Rayleigh, không có thành phần tín hiệu đến trực tiếp bộ thu mà không bị phản xạ hay tán xạ (thành phần light-of-sight) với công suất vƣợt trội Khi có thành phần này, phân bố sẽ là Ricean Trong trường hợp này, các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến bộ thu với những góc khác nhau được xếp chồng lên tín hiệu light-of-sight Tại ngõ ra của bộ tách đường bao, điều này có ảnh hưởng như là cộng thêm thành phần DC vào các thành phần đa đường ngẫu nhiên Giống như trong trường hợp dò sóng sin trong khi bị nhiễu nhiệt, ảnh hưởng của tín hiệu light- of-sight (có công suất vượt trội) đến bộ thu cùng với các tín hiệu đa đường (có công suất yếu hơn) sẽ làm cho phân bố Ricean rõ rệt hơn Khi thành phần light-of-sight bị suy yếu, tín hiệu tổng hợp trông giống như nhiễu có đường bao theo phân bố

Rayleigh Vì vậy, phân bố bị trở thành phân bố Rayleigh trong trường hợp thành phần light-of-sight mất đi.

Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean:

A: Biên độ đỉnh của thành phần light-of-sight Io: Là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0.

Phân bố Ricean thường được mô tả bởi thông số k được định nghĩa như là tỉ số giữa công suất tín hiệu xác định (thành phần light-of-sight) và công suất các thành phần đa đường:

Hay viết dưới dạng dB: k(dB)  10log A 2 dB (2.17)

2 2 k xác định phân bố Ricean và đƣợc gọi là hệ số Ricean.

Nhiễu loạn trong hệ thống FSO

Chùm tia quang truyền qua khí quyển chịu tác động của nhiễu loạn khí quyển với pha và biên độ biến thiên ngẫu nhiên Nhiễu loạn là một trạng thái rối loạn của dòng khí quyển gây ra bởi sự thay đổi nhiệt độ trong khí quyển Nhiễu loạn khí quyển bao gồm nhiều khu vực dòng xoáy hình cầu với đường kính và chỉ số khúc xạ khác nhau Các chùm tia quang truyền qua khí quyển ở không gian và thời gian khác nhau với chiết suất khác nhau, các chỉ số này không đồng nhất ở các quy mô khác nhau Sự không đồng nhất với quy mô lớn sẽ tạo ra hiện tƣợng khúc xạ khiến chùm tia phát đi lệch so với hướng truyền ban đầu Do đó, ở quy mô lớn thì hiệu ứng chủ yếu là làm sai lệch pha của sóng truyền đi Sự không đồng nhất với quy mô nhỏ tạo ra hiệu ứng nhiễu xạ và làm sai lệch biên độ của sóng gây ra sự biến thiên của biên độ.

Nhiễu loạn không khí dẫn tới sự thay đổi ngẫu nhiên của chỉ số khúc xạ không khí, n dọc theo tuyến đường truyền dẫn của bức xạ quang qua môi trường không khí. Những sự thay đổi ngẫu nhiên về nhiệt độ là một hàm của áp suất khí quyển, độ cao so với mặt nước biển, và tốc độ gió Mức độ nhỏ nhất và lớn nhất của các xoáy lốc trong không khí, tương ứng được gọi là tỷ lệ trong (inner scale), l 0 , và tỷ lệ ngoài (outer scale), L 0 , của sự nhiễu loạn l 0 thường nằm trong khoảng một vài milimet trong khi L 0 có thể lên tới vài mét Các xoáy lốc yếu dạng thấu kính gây ra tác động xuyên nhiễu ngẫu nhiên giữa các vùng khác nhau của búp sóng truyền dẫn làm cho dạng sóng bị biến dạng.

Kênh truyền dẫn quang khác so với kênh nhiễu Gauss thông thường, tín hiệu đầu vào của kênh, x(t), thể hiện công suất chứ không phải là biên độ Điều này dẫn tới hai điều kiện ràng buộc trên tín hiệu đƣợc truyền: x(t) phải không âm và giá trị trung bình của x(t) không đƣợc vƣợt quá một giá trị quy định. max 1   

Trái ngược với kênh thông thường, nơi mà SNR tỉ lệ với công suất, trong các hệ thống quang công suất điện thu được và phương sai của nhiễu nổ tỷ lệ tương ứng với Ad 2 và Ad; trong đó Ad là kích thước vùng tách sóng quang Do đó trong hệ thống truyền dẫn quang bị hạn chế bởi nhiễu nổ, SNR tỉ lệ với Ad Điều này có nghĩa là với công suất phát đã cho, có thể đạt đƣợc SNR cao hơn bằng việc sử dụng bộ tách sóng có vùng tách sóng lớn Tuy nhiên, điện dung của bộ tách sóng cũng tăng theo Ad dẫn đến hạn chế về băng thông.

Kênh truyền quang không dây bao gồm các loại khí nhƣ trong bảng 2.3 Ngoài ra, trong kênh truyền còn bao gồm mưa, sương mù và các loại khác của hơi nước.Lượng hơi nước có trong kênh truyền phụ thuộc vào vị trí (kinh độ, vĩ độ) và theo từng mùa Sự tập trung hơi nước lớn nhất ở gần bề mặt trái đất nằm trong tầng đối lưu.

Với sự phân bố về kích thước của các dải thành phần khí quyển từ micromet tới centimet, một trường quang đi qua khí quyển sẽ bị tán xạ hoặc hấp thụ và gây ra suy hao.

Bảng 2.3: Các phần tử khí có trong kênh truyền

Thành phần Tỷ lệ thể tích ( ) Phần triệu (ppm)

Lỗi định hướng (sự lệch hướng) là tổng độ dịch giữa tâm chùm tia và tâm khẩu độ thu Sự lệch hướng được tổng quát gồm 2 yếu tố: sự lệch hướng cố định và sự lệch hướng ngẫu nhiên.

Trong đường truyền thẳng của hệ thống FSO, độ chính xác định hướng là một vấn đề quan trọng trong việc xác định hiệu năng đường truyền và độ tin cậy Tuy nhiên, gió và sự giãn do nhiệt độ dẫn tới sự rung lắc tòa nhà, điều này gây ra sự lệch hướng và fading tín hiệu tại phía thu Thu được một mô hình thống kê mới cho sự lệch hướng, mà xác định kích thước khẩu độ thu, độ rộng chùm tia, và phương sai jitter.

Hình 2.6: Mô hình lệch hướng của chùm tia Đối với chùm tia Gauss, sự phân bố chuẩn hóa theo không gian của cường độ tín hiệu phát tại khoảng cách z từ bộ phát xác định theo: beam   ; z  

Với  là vec tơ bán kính từ tâm chùm tia, và  z là độ rộng búp quang (bán kính tính tại   2 ) tại khoảng cách z Độ rộng búp quang  z của một búp sóng Gauss lan truyền dưới điều kiện nhiễu loạn không khí có thể được xấp xỉ:

Với 0 là độ rộng búp quang tại z = 0,    1  2  0 2 / 0 2 (z) và  0 ( z) 

 0.55C n 2 k 2 z  3 5 là độ dài kết hợp.

Với một khẩu độ thu của bán kính a và một tham số chùm tia Gauss tại phía thu I beam , đƣợc chỉ ra ở hình 2.6 Sự suy hao do giãn rộng hình học với độ lệch r đƣợc xác định: h p  r ; z    I beam   r ; z  d 

Với h p . ký hiệu cho tỷ lệ công suất thu đƣợc bởi bộ thu và A là diện tích vùng thu Khi độ lệch tâm r xuất hiện, h p là một hàm của độ lệch tâm và góc Do tính đối xứng của búp quang và vùng thu, kết quả là h p  r ; z  chỉ phụ thuộc vào độ lệch tâm r  r Vì vậy, không mất tính tổng quát, có thể giả sử rằng độ lệch tâm dọc theo trục x’ Tỷ lệ công suất thu đƣợc tại bộ thu với bán kính vùng thu a trong mặt phẳng nằm ngang có thể nhận đƣợc nhƣ sau: h  r ; z 

Có thể xấp xỉ phép tích phân trong (2.22) bởi một tích phân trong một tiết diện vuông với chiều dài cạnh a có diện tích tương đương vùng thu Vì vậy, phương trình (2.22) có thể tính xấp xỉ:

Với E  erf   a / 2 z  và erf (x)   2 /    e  u 2 du là hàm lỗi Bằng cách mở

0 rộng điều kiện theo quy luật hàm mũ tới chuỗi Taylor, tích phân hóa và rút gọn kết quả ta đƣợc:

Hơn nữa, (2.24) có thể sắp xếp lại đối với l và được viết dưới dạng:

 2  a thực hiện rút gọn ta đƣợc : Định nghĩa  

Xấp xỉ theo dạng Gauss ta đƣợc :

Bảng 2.4: Giá trị NMSE giữa giá trị chính xác và xấp xỉ của h p

0 z eq đương Sai lỗi bình phương trung bình chuẩn hóa (NMSE) giữa biểu thức chính xác và biểu thức xấp xỉ đối với h p đƣợc cho trong bảng 2.4 với nhiều giá trị khác nhau của

 z / a Phép xấp xỉ đƣợc đề xuất là hợp lý với giá trị chính xác khi  z / a  6 , ví dụ với NMSE 10 3

Để các công thức trong chương này liên quan tới các nghiên cứu trước đó, giả sử rằng ω z >>a xác định biểu thức giới hạn đối với h là  z

Xác định các phân bố Gauss độc lập giống nhau đối với sự nhô lên và sự dịch chuyển theo chiều ngang (sự rung lắc) đã được đánh giá trước đó Và độ lệch theo bán

39 kính r tại bộ thu đƣợc mô hình bởi phân bố Rayleigh : r  r 2  f r ( r )  2 exp  2 , r  0

 s  2 s  trong đó  2 là phương sai jitter tại phía thu Ta có phân bố xác suất của h là s p f (h )   2 h  2

Kết luận chương 2

Nội dung chương 2 đã trình bày khái niệm và mô hình giải tích của các tham số đường truyền FSO cũng như RF Trong đó, FSO bao gồm suy hao đường truyền, nhiễu loạn không khí yếu, mạnh và sự lệch hướng RF bao gồm suy hao kênh truyền và fading Dựa trên mô hình kênh nêu ở chương 2, việc phân tích, đánh giá hiệu năng của hệ thống lai ghép RF/FSO dưới ảnh hưởng của nhiễu loạn và lệch hướng sẽ được trình bày trong chương 3.

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY LAI GHÉP RF/FSO

Giới thiệu hệ thống lai ghép RF/FSO

Trong khi nhu cầu về mạng không dây RF tiếp tục tăng và chƣa đáp ứng đƣợc nhu cầu của người sử dụng, công nghệ FSO bắt đầu nổi lên như một giải pháp tối ưu cho viễn thông Tuy nhiên, một trong những hạn chế lớn của công nghệ FSO là đòi hỏi duy trì tầm nhìn thẳng (LOS), và tuyến FSO bị ảnh hưởng mạnh bởi điều kiện thời tiết bất lợi như sương mù và tuyết rơi nặng Những đặc tính bổ sung của RF và FSO thúc đẩy nghiên cứu hệ thống lai ghép RF/FSO, trong đó những điểm yếu của từng loại liên kết sẽ đƣợc giảm thiểu Hệ thống truyền thông không dây lai ghép RF/FSO đƣợc xem nhƣ một giải pháp tối ƣu cho việc truyền dữ liệu tốc độ bit cao qua môi trường nhiễu loạn mạnh và thời tiết xấu [8] Chương này sẽ trình bày về hiệu năng của hệ thống này với các mô hình kênh thích hợp và tính toán xác suất dưới ngƣỡng (dừng) cũng nhƣ tỷ lệ lỗi bit (BER).

Mô hình kênh Rayleigh sẽ được sử dụng cho tuyến RF trong môi trường có nhiều đối tượng làm phân tán các tín hiệu vô tuyến trước khi nó đến bộ thu Mô hình kênh phân bố Gamma-Gamma thích hợp nhất cho việc mô hình hóa các bức xạ của tuyến FSO trong mọi môi trường từ nhiễu loạn mạnh tới yếu.

Mô hình hệ thống

Nhiều nghiên cứu đã đƣợc đề xuất để phân tích hiệu năng hệ thống lai ghép FSO/RF Đầu tiên, hiệu năng của liên kết RF/FSO bất đối xứng đƣợc phân tích với giả định rằng tuyến RF và tuyến FSO có fading Rayleigh và fading Gamma-Gamma. Trong nghiên cứu này, kỹ thuật chuyển tiếp sử dụng cơ chế khuếch đại và chuyển tiếp (AF) với hệ số khuếch đại cố định sẽ đƣợc xem xét.

Dựa trên kỹ thuật chuyển tiếp, hệ thống đƣợc thiết kế bằng cách sử dụng tuyếnFSO tại một chặng và một tuyến RF tại chặng khác Nút nguồn S kết nối với điểm đến, nút D, thông qua một nút chuyển tiếp R Do đó, tín hiệu nguồn đƣợc truyền qua hai tuyến liên kết S-R và R-D nhƣ trong hình 3.1 [8].

Hình 3.1: Mô hình hệ thống lai ghép RF/FSO

Trước tiên, xét sự truyền tín hiệu trong tuyến RF, tín hiệu được truyền đi từ nguồn S tới nút chuyển tiếp R, tín hiệu nhận đƣợc ở nút R đƣợc viết thành: r 1  h 1 s  n 1

Với h 1 là biên độ fading của kênh fading Reyleigh, n 1 là nhiễu Gauss trắng cộng

(AWGN) với mật độ phổ công suất N 01 Khi sử dụng SIM (kỹ thuật điều chế sóng mang phụ) tín hiệu quang phát đi tại nút R là [4]:

Với G là độ khuếch đại cố định của nút R, và  là hệ số chuyển đổi điện - quang.

Tín hiệu nhận đƣợc ở các nút đích sẽ là:

(3.3) r  A IG 1   r  n  A IG 1  h s  n  n Ở đây, A là hằng số lan truyền, I là biến ngẫu nhiên tĩnh theo phân bố Gamma-

Gamma và n 2 là AWGN với mật độ phổ công suất N 02 [3] Khi các thành phần DC đƣợc lọc ra tại đích, các tín hiệu nhận đƣợc sẽ đƣợc viết thành: r 2  IG   h 1 s  n 1   n 2

Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) đƣợc cho bởi:

Với P 1 là công suất phát từ nguồn S Nếu nút chuyển tiếp có độ khuếch đại cố định, ta

1 có thể đặt C  G 2 N , SNR đƣợc viết lại thành:

2 lần lƣợt là SNR của tuyến RF và FSO.

3.2.1 Mô hình kênh liên kết RF

Fading Rayleigh là một mô hình được sử dụng khi trong môi trường có nhiều đối tượng làm phân tán các tín hiệu vô tuyến trước khi nó đến bộ thu Vì vậy, giả định rằng tuyến liên kết S-R (RF) có phân bố Rayleigh [6] với hàm mật độ xác suất (PDF):

Với 1 là SNR trung bình của tuyến RF.

3.2.2 Mô hình kênh liên kết FSO

Trong luận văn này, để mô hình hóa tuyến FSO trong điều kiện nhiễu loạn mạnh và vừa, ta dùng phân bố fading Gamma – Gamma, hàm PDF của nó đƣợc cho bởi [4], [6]:

2 SNR trung bình của tuyến FSO, là hàm gamma chuẩn (      0  x t  x exp

x  ), K v là hàm Bessel sửa đổi bậc v  ,  là thông số biểu diễn của tán xạ môi trường cấp độ nhỏ và cấp độ lớn Giả sử truyền sóng hình cầu, các thông số này có thể liên quan trực tiếp đến điều kiện bất ổn trong khí quyển qua biểu thức [4], [6], [2]:

,R là phương sai Rytov được cho bởi:

,  là bước sóng, C 2 là chỉ số tham số cấu trúc khúc xạ, D là đường

 n kính độ mở máy thu.

C n 2 phụ thuộc vào độ cao, đƣợc viết theo mô hình Hufnagel-Valley nhƣ sau:

Trong đó h là độ cao (m), v là rms tốc độ gió (m/s), A là một giá trị định danh của C n 2 ở mặt đất nằm trong khoảng m 2 3

Trong tuyến FSO, C n 2 nhận giá trị trong khoảng 1.7 10 14 m 2 3 vào ban ngày và 8.4

Một mô hình có ý nghĩa cho việc ƣớc lƣợng chỉ số tham số cấu trúc khúc xạ đƣợc đề xuất bởi Hufnagel và Stanley Biểu thức toán học của nó nhƣ sau:

Với K 0 là chỉ số nhiễu loạn, phụ thuộc vào địa điểm lắp đặt tuyến quang không dây cụ thể, h là độ cao.

Một mô hình khác cho việc ƣớc tính chỉ số tham số cấu trúc khúc xạ, C n 2 , là mô hình SLC ban ngày và ban đêm, chỉ phụ thuộc vào chiều cao nơi tuyến FSO hoạt động.

Công thức toán học mô hình này, chính xác cho thời gian ban ngày, đƣợc đƣa ra là:

Và mô hình SLC ban đêm:

Giả định rằng giá trị của C n 2 là không đổi trong khoảng thời gian tương đối dài.

Lưu ý rằng các giá trị được sử dụng chủ yếu của alpha và beta (α = 4,2, β 1,4) cho nhiễu loạn mạnh và (α = 4, β = 1,9) cho nhiễu loạn vừa với một bước sóng khoảng 785 nm và một phạm vi trong khoảng từ 20 m đến 5 km.

Mô hình toán học đánh giá hiệu năng của hệ thống

3.3.1 Mô hình toán học tính toán xác suất dưới ngưỡng (dừng)

Xác suất dưới ngưỡng (dừng) như một biện pháp hiệu quả để đánh giá hiệu năng hệ thống lai ghép RF/FSO trên các kênh nhiễu loạn không khí mạnh với sự lệch hướng Cùng với tỷ lệ lỗi trung bình, xác suất dưới ngưỡng, P out , là một tiêu chí chất lƣợng tiêu chuẩn của hệ thống thông tin hoạt động trên các kênh fading Nó đƣợc định nghĩa là xác suất SNR tức thời, γ, giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định,  th , đại diện cho một giá trị SNR sao cho chất lượng của kênh đạt yêu cầu Xác suất dưới ngƣỡng đƣợc định nghĩa là [8]:

1 2 lần lƣợt là SNR tức thời của tuyến FSO và RF, 1 và  2 độc lập với nhau.

51 Công thức 3.17 có thể đƣợc viết thành [7]:

Xác suất dưới ngưỡng (dừng) được viết:

1  Với tích phân của E  th đƣợc viết thành:

3.3.2 Tỷ lệ lỗi bit trung bình

Tương tự, các kênh RF và FSO được giả định với phân bố fading Rayleigh và Gamma-Gamma Nếu coi P (e | γ) biểu thị xác suất lỗi bit có điều kiện trong một kênh AWGN, xác suất lỗi trung bình có thể đƣợc thể hiện nhƣ sau [8]:

Xác suất lỗi có điều kiện đƣợc cho bởi:

Với  là 2 và 1 lần lƣợt cho điều chế BPSK và QPSK Thế 3.23 vào 3.22 ta có:

  Ở đây, F là hàm phân phối tích lũy (CDF) của biến  Đặt x  t 2 , tỷ lệ lỗi trung

 bình đƣợc viết lại thành:

  2 Theo nhƣ công thức 3.20, sử dụng hàm CDF và thay biến  th bằng

 ta có xác suất dưới ngưỡng được viết thành:

 Thay công thức 3.26 vào 3.25, đồng thời đổi biến   x

, tỷ lệ lỗi trung bình

 đƣợc viết rộng ra thành:

3.3.3 Khảo sát hiệu năng hệ thống khi có sự lệch hướng

 SNR của hệ thống khi có lệch hướng

Hàm PDF của SNR đƣợc viết thành:

Với  và  là thông số fading của nhiễu loạn khí quyển, các thông số này càng thấp thì nhiễu loạn khí quyển càng mạnh  là tỷ lệ giữa bán kính chùm tia tương đương với độ lệch chuẩn (jitter) của máy thu.

 Xác suất dưới ngưỡng (dừng) của hệ thống khi có lệch hướng

Xác suất dưới ngưỡng khi có sự lệch hướng được viết thành:

Trong trường hợp không có sự lệch hướng,   0 , ta sẽ có P out được tính nhƣ công thức (3.20).

 Tỷ lệ lỗi bit (BER) của hệ thống khi có lệch hướng

Từ công thức 3.32, ta viết đƣợc hàm CDF của tỷ lệ lỗi bit (BER) thành:

PDF của BER trong gần đúng được viết dưới dạng hàm Meijers G thành:

Trong trường hợp không có sự lệch hướng, BER trung bình của hệ thống là:

P e cũng có thể viết theo một cách khác [9, Eq 12]: q p  (3.36)

Thay công thức 3.33 vào công thức 3.35, dùng [1, Eq (7.813.1)], ta có BER trung bình của các phương pháp điều chế nhị phân được viết thành:

Với p và q là các thông số của các kiểu điều chế nhị phân, đƣợc thể hiện trong bảng 3.1.

Bảng 3.1: Thông số các kiểu điều chế nhị phân

Khóa dịch tần nhị phân kết hợp (CBFSK) 0,5 0,5 Khóa dịch pha nhị phân kết hợp (CBPSK) 0,5 1 Khóa dịch tần nhị phân không kết hợp (NBFSK) 1 0,5

Khóa dịch pha nhị phân vi sai (DBPSK) 1 1

Các kết quả khảo sát

Phần này trình bày các kết quả khảo sát xác suất dưới ngưỡng, tỷ lệ lỗi bít (BER) và sự lệch hướng của hệ thống lai ghép RF/FSO Các kết quả được tham khảo từ tài liệu số [10].

SNR trên một chặng (dB)

Hình 3.2: Xác suất dưới ngưỡng của hệ thống trong điều kiện nhiễu loạn mạnh và vừa với  th = 0 dB, [10]

Hình 3.2 khảo sát xác suất dưới ngưỡng của hệ thống trong phân bố Gamma-Gamma với  = 4,2 và  = 1,4 cho nhiễu loạn mạnh,  = 4 và  = 1,9 cho nhiễu loạn vừa phải cho thấy đƣợc các giá trị SNR khác nhau, [10].

SNR trên một chặng (dB)

Hình 3.3: Xác suất dưới ngưỡng của hệ thống trong điều kiện nhiễu loạn mạnh và vừa với  th = 10 dB, [10]

Hình 3.3, có một sự khác nhau nhẹ trong hai môi trường nhiễu loạn mạnh và vừa phải Đặc biệt khi  th = 10 dB, xác suất dưới ngưỡng trong điều kiện nhiễu loạn mạnh tệ hơn một chút so với nhiễu loạn vừa phải, [10].

3.4.2 Tỷ số lỗi bit (BER)

SNR trên một chặng (dB)

Hình 3.4: BER hệ thống trong các môi trường nhiễu loạn với điều chế BPSK (   2 ) và C = 1, [10]

Hình 3.4 khảo sát tỷ lệ lỗi bit trung bình của hệ thống với điều chế BPSK và độ khuếch đại chuyển tiếp cố định C = 1 Ta có thể thấy BER trung bình trong nhiễu loạn mạnh với điều chế BPSK cao hơn một chút so với trong nhiễu loạn vừa phải Đặc biệt khi SNR rơi vào khoảng 20-25 dB, sự chênh lệch này là rõ ràng nhất, [10].

Hình 3.5: BER trung bình của hệ thống trong các môi trường nhiễu loạn với điều chế

Hình 3.5 khảo sát tỷ lệ lỗi bit trung bình của hệ thống với điều chế QPSK và độ khuếch đại chuyển tiếp cố định C = 1 Ta có thể thấy BER trung bình trong nhiễu loạn mạnh với điều chế QPSK cao hơn một chút so với trong nhiễu loạn vừa phải Đặc biệt khi SNR rơi vào khoảng 20-25 dB, sự chênh lệch này là rõ ràng nhất, [10].

Hình 3.6: So sánh BER giữa hai điều chế BPSK và QPSK trong nhiễu loạn vừa phải ( = 4 và  = 1,9; C = 1) , [10]

Hình 3.6 khảo sát BER trung bình của hệ thống trong môi trường nhiễu loạn vừa phải với điều chế BPSK và QPSK Ta có thể thấy rằng, trong điều kiện nhiễu loạn vừa phải, BER trung bình với điều chế BPSK là tốt hơn rất nhiều so với điều chếQPSK, đặc biệt khi SNR trung bình càng tăng cao thì sự chêch lệch đó càng rõ rệt,[10].

Hình 3.7: So sánh BER giữa hai điều chế BPSK và QPSK trong nhiễu loạn mạnh ( = 4,2 và  = 1,4) với C = 1, [10]

Hình 3.7 khảo sát BER trung bình của hệ thống trong môi trường nhiễu loạn mạnh với điều chế BPSK và QPSK Ta có thể thấy rằng, trong điều kiện nhiễu loạn mạnh, BER trung bình với điều chế BPSK là tốt hơn rất nhiều so với điều chế QPSK, đặc biệt khi SNR trung bình càng tăng cao thì sự chêch lệch đó càng rõ rệt.

Bốn hình trên ( 3.4  3.7 ) cho thấy BER trung bình của hệ thống trong các điều kiện nhiễu loạn với các điều chế BPSK và QPSK Rõ ràng, hệ thống lai ghép RF/ FSO (phân bố fading Gamma-Gamma cho liên kết FSO) trong nhiễu loạn vừa phải có hiệu suất tốt hơn trong nhiễu loạn mạnh Ngoài ra, sử dụng điều chế BPSK cho hiệu suất hệ thống cao hơn điều chế QPSK trong bất kỳ trường hợp nào, [10].

3.4.3 Khảo sát hệ thống trong ảnh hưởng của lệch hướng

Hình 3.8: Xác suất dưới ngưỡng của hệ thống trong nhiễu loạn mạnh ( = 4,2 và  = 1,4) với  khác nhau và  th  10 dB , [10]

Hình 3.8 khảo sát xác suất dưới ngưỡng của hệ thống trong nhiễu loạn mạnh và có lệch hướng Ta có thể thấy khi  tăng lên thì tác động của sự lệch hướng giảm xuống, P out giảm và ngược lại Khi  tiến tới 1, tác động của sự lệch hướng lên hệ thống là rất lớn, đặc biệt khi SNR lớn hơn 15 dB, [10].

 Tỷ lệ lỗi bit (BER) Ở đây, ta lựa chọn điều chế BPSK  p  0, 5; q 1 để khảo sát BER trung bình của hệ thống trong nhiễu loạn mạnh.

Hình 3.9: BER trung bình khi có lệch hướng trong môi trường nhiễu loạn mạnh ( = 4,2 và  = 1,4) với  khác nhau và C = 1, [10]

Hình 3.9 khảo sát BER trung bình của hệ thống bằng điều chế BPSK Tác động của sự lệch hướng được quan sát thấy là sự lệch hướng (giá trị của  tăng, tác động của sự lệch hướng giảm) tăng, BER giảm và ngược lại, [10].

Kết luận chương 3

Chương này đã tìm hiểu và phân tích hiệu năng hệ thống lai ghép RF/FSO qua môi trường nhiễu loạn không khí và lệch hướng Các kết quả tính toán tỷ lệ lỗi bit(BER) và xác suất dưỡi ngưỡng (dừng) khi không có lệch hướng và có lệch hướng là khả quan, cho thấy tiềm năng rất lớn của hệ thống này.