Phương pháp đánh giá hiệu năng của hệ thống CDMA quang vô tuyến

đề tài “Phương pháp đánh giá hiệu năng của hệ thống CDMA quang vô tuyến”. Bố cục đồ án gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về hệ thống quang không dây Chương 2: Kỹ thuật OCDMA Chương 3: Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu năng hệ thống FSOCDMA Chương 4: Đánh giá hiệu năng của hệ thống FSOCDMA

Đồ án tốt nghiệp Đại Học Lời mở đầu LỜI MỞ ĐẦU Truyền thông quang không dây (FSO) công nghệ truyền dẫn tín hiệu quang qua mơi trường vơ tuyến (không gian tự do) Trong năm gần đây, truyền thông quang không dây xem giải pháp hứa hẹn thay cho kết nối vơ tuyến băng rộng nhờ ưu điểm mà có bao gồm: tốc độ cao; chi phí hiệu quả; không yêu cầu cấp phép tần số; triển khai nhanh linh hoạt Nhằm triển khai kỹ thuật FSO mạng truy nhập, việc nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) truyền thông quang không dây thu hút nhiều quan tâm nghiên cứu Hệ thống CDMA quang không dây (FSO/CDMA) hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã quang sử dụng phương thức truyền sóng ánh sáng qua không gian tự để kết nối thiết bị phát thu Đa truy nhập thực cách gán chuỗi mã khác cho người dùng khác Nhờ đó, hệ thống CDMA quang khơng dây có hiệu sử dụng tài ngun cao, khả truy nhập không đồng khả an ninh cao Tuy nhiên, bên cạnh ưu điểm, hệ thống CDMA quang không dây gặp phải thách thức cần phải vượt qua ảnh hưởng mạnh tạp âm, nhiễu yếu tố tác động môi trường truyền lan không gian mưa, sương mù, khói, bụi, tuyết… đặc biệt nhiễu loạn khơng khí Do đó, việc tiến hành nghiên cứu phân tích hiệu hệ thống CDMA quang không dây nhằm đánh giá khả triển khai giải pháp CDMA truyền thông quang không dây cần thiết Mục đích nghiên cứu đồ án nhằm đưa giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã quang truyền thông quang không dây Kết cụ thể nghiên cứu đưa mơ hình hệ thống FSO/CDMA phân tích hiệu hệ thống FSO ảnh hưởng loại nhiễu nhiễu loạn khơng khí Sử dụng công cụ Matlab để vẽ đồ thị khảo sát lỗi bit theo tham số khác hệ thống Đưa nhận xét, đánh giá dựa kết đạt Trên sở kiến thức tích luỹ năm học tập chuyên ngành Điện Tử - Viễn Thông Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng với hướng dẫn ThS Phạm Thị Thúy Hiền, em tìm hiểu, nghiên cứu hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài “Phương pháp đánh giá hiệu hệ thống CDMA quang vô tuyến” Bố cục đồ án gồm chương:  Chương 1: Tổng quan hệ thống quang không dây  Chương 2: Kỹ thuật OCDMA  Chương 3: Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu hệ thống FSO/CDMA  Chương 4: Đánh giá hiệu hệ thống FSO/CDMA GVHD: ThS Phạm Thị Thúy Hiền SVTH: Trần Minh Phương – D08VT1 Đồ án tốt nghiệp Đại Học Lời mở đầu Mặc dù cố gắng hạn chế mặt kiến thức thực tế chuyên môn nên chắn đồ án em khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận ý kiến đóng góp quý báu thầy để đồ án hồn thiện Sinh viên Trần Minh Phương GVHD: ThS Phạm Thị Thúy Hiền SVTH: Trần Minh Phương – D08VT1 Đồ án tốt nghiệp Đại Học Lời cảm ơn LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đồ án này, em xin chân thành cảm ơn ThS Phạm Thị Thúy Hiền tận tình hướng dẫn giúp đỡ em suốt trình nghiên cứu, cảm ơn thầy cô Bộ môn Vô tuyến - Khoa Viễn thông I - Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng, đặc biệt TS Đặng Thế Ngọc có góp ý quan trọng cho đồ án em Đồng thời em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình bố mẹ – người hết lòng tạo điều kiện tốt cho em hoàn thành đồ án Sinh viên Trần Minh Phương GVHD: ThS Phạm Thị Thúy Hiền SVTH: Trần Minh Phương – D08VT1 Đồ án tốt nghiệp Đại Học Mục Lục MỤC LỤC GVHD: ThS Phạm Thị Thúy Hiền SVTH: Trần Minh Phương – D08VT1 Đồ án tốt nghiệp Đại Học Danh mục bảng, hình vẽ DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ GVHD: ThS Phạm Thị Thúy Hiền SVTH: Trần Minh Phương – D08VT1 Đồ án tốt nghiệp Đại Học Thuật ngữ viết tắt THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt APD BER CCC EDFA EPC FOV FSO HCC IM-DD LD LCC LED LO MAI MAN MPC MWPPM OBI OCDMA OLT ONU OOC OOK PC PD PON PPM QCC SMPC WDMA WSK Tên tiếng Anh Avalanche Photodiode Bit Error Rate Cubical Congruence Codes Erbium Doped Fiber Amplifier Nghĩa tiếng Việt Diode quang thác Tỷ số lỗi bit Mã đồng dư bậc ba Bộ khuyếch đại sợi quang pha tạp Erbium Extended Prime Codes Mã nguyên tố mở rộng Field Of Vision Góc nhìn Free Space Optical communication Truyền thông quang qua không gian tự Hyperbolic Congruence Code Mã đồng dư hyperbolic Insensity Modulation – Direct Điều chế cường độ - tách Detector sóng trực tiếp Laser Diode Bộ phát laser Linear Congruence Codes Mã đồng dư tuyến tính Light Emmitting Diode Diode phát quang Local Oscillator Bộ dao động nội Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập Metro Area Networks Mạng đô thị Modified Prime Codes Mã nguyên tố sửa đổi Multi Wavelength PPM PPM đa bước sóng Optical Beating Interference Nhiễu giao thoa tín hiệu quang Optical Code Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo Access mã quang Optical Line Unit Khối đường truyền quang Optical Network Unit Khối mạng quang Optical Orthogonal Codes Mã trực giao quang On-Off Keying Khóa đóng – mở Prime Codes Mã nguyên tố Photodiode Diode tách quang Passive Optical Networks Mạng quang thụ động Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung Quadratic Congruence Codes Mã đồng dư bậc hai Synchronous Modified Prime Codes Mã nguyên tố sửa đổi đồng Wavelength Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo bước song Wave Shift Keying Khóa dịch chuyển bước sóng GVHD: ThS Phạm Thị Thúy Hiền SVTH: Trần Minh Phương – D08VT1 Đồ án tốt nghiệp Đại Học Chương I: Tổng quan hệ thống quang khơng dây CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỚNG QUANG KHƠNG DÂY 1.1 Giới thiệu Truyền thơng quang tốc độ cao đóng vai trò quan trọng mạng viễn thông Truyền thông quang chia thành loại: truyền thông quang qua sợi quang truyền thông quang không dây (FSO – Free Space Optics) Các hệ thống truyền thông quang sử dụng sợi quang có khả truyền tải với dung lượng lớn, kết nối nhiều người dùng cung cấp nhiều loại dịch vụ thoại, fax, hình ảnh, số liệu Cùng có khả truyền dẫn tốc độ cao, hệ thống FSO dễ dàng lắp đặt, di chuyển thiết lập lại cấu hình mạng cần FSO có độ an tồn cao sử dụng thơng tin tầm nhìn thẳng (line-of-sight) tính hướng búp sóng quang cao Các cơng nghệ FSO xuất lần vào năm 1960 ứng dụng quân Đến cuối năm 1980, sản phẩm thương mại xuất khơng thành cơng rào cản công nghệ Cự ly ngắn, dung lượng thấp, vấn đề giữ thẳng hàng phát thu ảnh hưởng thời tiết hạn chế vào thời gian FSO (hay truyền thông quang không dây) công nghệ viễn thông sử dụng truyền lan ánh sáng không gian để truyền tín hiệu hai điểm Đây cơng nghệ truyền thơng băng rộng tầm nhìn thẳng, tín hiệu quang, thay truyền sợi quang, phát búp sóng quang qua khơng gian Một mạng truyền thông quang không dây bao gồm thu-phát quang (gồm khối thu khối phát) cung cấp khả thông tin hai chiều Mỗi khối phát quang sử dụng nguồn quang thấu kính để phát tín hiệu quang qua khơng gian tới khối thu Tại phía thu, thấu kính khác sử dụng để thu tín hiệu, thấu kính nối với khối thu có độ nhạy cao qua sợi quang Một tuyến FSO bao gồm hai thu-phát đặt tầm nhìn thẳng Thơng thường, thu phát gắn tòa nhà sau cửa sổ (Hình 1.1) Cự ly hoạt động tuyến FSO từ vài trăm mét tới vài km Các đặc điểm hệ thống FSO sau: a) Băng thông điều chế rộng – Nhìn chung, tần số sóng mang quang bao gồm dải tần hồng ngoại, nhìn thấy, tia cực tím lớn tần số vơ tuyến Và hệ thống truyền thông nào, lượng liệu truyền có liên quan trực tiếp tới băng thơng sóng mang điều chế Băng thơng liệu cho phép lên tới 20% tần số sóng mang Việc sử dụng sóng mang quang có tần số nằm dải 1012 – 1016 Hz cho phép băng thông liệu lên tới 2000 THz Vì truyền thơng quang đảm bảo dung lượng thơng tin tăng lên SVTH: Trần Minh Phương – D08VT1 Trang Đồ án tốt nghiệp Đại Học Chương I: Tổng quan hệ thống quang khơng dây Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống FSO thông thường b) c) d) e) f) Búp sóng hẹp – Phát xạ quang có búp sóng hẹp, loại búp tia lazer có nhiễu xạ hạn chế khác khoảng 0.01 – 0.1 mrad Điều cho thấy công suất phát tập trung vùng hẹp Do tuyến FSO cách ly khu vực có khả nhiễu Khơng u cầu cấp phép phổ tần – Do việc hạn chế phổ tần RF, nhiễu từ kênh lân cận vấn đề truyền thông RF không dây Để tối thiểu nhiễu, quan quản lý đặt quy định nghiêm ngặt phổ tần để phân bố phần phổ tần RF phí khoản lớn Bên cạnh tần số quang miễn phí, bây giờ, chi phí lắp đặt ban đầu thời gian triển khai hệ thống giảm việc thu hồi vốn nhanh Rẻ - Chi phí việc triển khai hệ thống FSO thấp so với hệ thống RF so sánh tốc độ liệu FSO cấp phát băng thơng sợi quang khơng có thêm chi phí việc đào rãnh lắp cáp… Triển khai nhanh chóng – Thời gian cần thiết cho tuyến FSO hoàn toàn vào hoạt động từ bắt đầu lắp đạt tới chỉnh tuyến khoảng Yêu cầu then chốt thiết lập tuyến có tầm nhìn thẳng khơng bị che chắn phát thu Nó điều chỉnh phía cách dễ dàng Phụ thuộc vào thời tiết – Hiệu hệ thống FSO phụ thuộc vào điều kiện mơi trường Tính chất không ổn định kênh FSO chắn đặt thách thức lớn Và điều khơng có đặc biệt với tuyến RF hay truyền thông vệ tinh gặp mưa to hay có bão Ngoài điểm trên, đặc điểm khác FSO bao gồm:  Lợi ích từ truyền thơng sợi quang  Không bị ảnh hưởng nhiễu điện từ  Khơng giống hệ thống có dây, FSO hệ thống khơng cố định 1.2 thu hồi lại thiết bị triển khai  Phát xạ phải nằm giới hạn an toàn quy định  Trọng lượng nhẹ nhỏ gọn  Tiêu thụ điện thấp  Yêu cầu tầm nhìn thẳng liên kết chặt chẽ kết việc búp sóng hẹp Mơ hình hệ thống FSO SVTH: Trần Minh Phương – D08VT1 Trang Đồ án tốt nghiệp Đại Học Chương I: Tổng quan hệ thống quang không dây Sơ đồ khổi tuyến FSO điển hình thể hình 1.2 Giống công nghệ truyền thông nào, hệ thống FSO gồm ba phần: Bộ phát, kênh truyền thu Chi tiết phần đề cập Hình 2: Sơ đồ khối hệ thống FSO 1.2.1 Bộ phát Phần tử có nhiệm vụ điều chế liệu gốc thành tín hiệu quang sau truyền qua khơng gian tới thu Phương thức điều chế sử dụng rộng rãi phát điều chế cường độ (IM), cường độ phát xạ nguồn quang điều chế số liệu cần truyền Việc điều chế thực thông qua việc thay đổi trực tiếp cường độ nguồn quang phát thơng qua điều chế ngồi giao thoa MatchZehnder Việc sử dụng điều chế nhằm đảm bảo tốc độ liệu đạt cao so với điều chế trực tiếp Các thuộc tính khác trường xạ quang pha, tần số trạng thái phân cực sử dụng để điều chế với với liệu/thông tin thơng qua việc sử dụng điều chế ngồi Các nguồn quang đặc tính chúng liệt kê bảng 1.1 Bước sóng (nm) ~850 ~1300/~1550 Loại Ghi Phát xạ mặt khoang cộng hưởng dọc Rẻ có tính khả dụng Khơng có hoạt động làm mát, mật độ công suất thấp, tốc độ lên tới ~10Gbps Fabry – Perot Phân phối – phát phản xạ Thời gian sống lâu SVTH: Trần Minh Phương – D08VT1 Tiêu chuẩn an toàn cho mắt thấp Trang Đồ án tốt nghiệp Đại Học ~10000 Gần hồng ngoại Chương I: Tổng quan hệ thống quang không dây Mật độ công suất cao 50 lần (100nW/cm2) Tương thích với EDFA Tốc độ cao, lên tới 40Gbps Độ dốc hiệu 0,03-0,2 W/A Đắt tiền tương đối Rất nhanh độ nhạy cao Thác lượng tử Truyền dẫn sương mù tốt Thành phần chế tạo khơng có sẵn Khơng thâm nhập qua thủy tinh Rẻ LED Mạch điều khiển đơn giản Công suất tốc độ liệu thấp Bảng 1: Các nguồn quang Trong dải bước sóng 700 – 10000 nm có số cửa sổ truyền sóng suốt với suy hao