Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong truyền dẫn vô tuyến trên sợi quang RoF

Các hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng hiện đang phát triển rất mạnh mẽ. Yêu cầu về khả năng truyền tải các dịch vụ băng rộng tích hợp (kết hợp các loại dịch vụ thoại, số liệu, hình ảnh, dịch vụ đa phương tiện và các dịch vụ gia tăng khác) khiến cho dung lượng truyền dẫn của các hệ thống thông tin vô tuyến ngày càng tăng. Sự gia tăng về dung lượng truyền dẫn sẽ dẫn tới phải sử dụng tần số hoạt động cao hơn và các tế bào vô tuyến nhỏ hơn. Nội dung đồ án bao gồm 4 chương: Chương I Tổng quan về RoF Chương II Hệ thống truyền dẫn RoF Chương III Kỹ thuật OFDM Chương IV Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong RoF

Đồ án tốt nghiệp Đại Học Lời mở đầu LỜI MỞ ĐẦU Các hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng hiện đang phát triển rất mạnh mẽ. Yêu cầu về khả năng truyền tải các dịch vụ băng rộng tích hợp (kết hợp các loại dịch vụ thoại, số liệu, hình ảnh, dịch vụ đa phương tiện và các dịch vụ gia tăng khác) khiến cho dung lượng truyền dẫn của các hệ thống thông tin vô tuyến ngày càng tăng. Sự gia tăng về dung lượng truyền dẫn sẽ dẫn tới phải sử dụng tần số hoạt động cao hơn và các tế bào vô tuyến nhỏ hơn. Nhưng các tế bào nhỏ hơn đồng nghĩa với việc cần một số lượng lớn các trạm gốc và các điểm truy nhập vô tuyến để đạt được vùng phủ sóng rộng theo yêu cầu của hệ thống. Bên cạnh đó, truyền thông sợi quang đã và đang được trở nên phổ biến hơn bởi nhiều ưu điểm mà nó mang lại như băng thông cực rộng, không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ. Tuy rằng phương thức này vẫn có những nhược điểm nhất định trong lắp đặt, bảo dưỡng cũng như giá thành so với việc triển khai cáp đồng, nhưng đặc điểm về băng thông rộng của sợi quang thì không có một môi trường nào có thể so sánh được. Chính vì vậy, sợi quang từ lâu đã được xem là cơ sở để triển khai các mạng băng thông rộng một cách hiệu quả. Một trong những phương pháp để xây dựng hệ thống mạng truy nhập vô tuyến băng thông rộng là kết hợp với kỹ thuật truy nhập bằng sợi quang. Kỹ thuật truyền sóng vô tuyến qua sợi quang (RoF) đã ra đời và được xem là một kỹ thuật nền tảng cho mạng truy nhập không dây băng thông rộng của tương lai. Mặt khác, chúng ta đều biết kỹ thuật OFDM là một kỹ thuật phổ biến trong vô tuyến với rất nhiều ưu điểm. Do đó việc kết hợp OFDM và RoF được xem là một giải pháp mang lại hiệu quả cao cho truyền dẫn vô tuyến băng rộng. Đây cũng chính là lý do để em lựa chọn OFDM-RoF làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp. Nội dung đồ án bao gồm 4 chương: • Chương I - Tổng quan về RoF • Chương II - Hệ thống truyền dẫn RoF • Chương III - Kỹ thuật OFDM • Chương IV - Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong RoF GVHD: TS. Nguyễn Đức Nhân SVTH: Phạm Phúc Thịnh – D08VT1 Đồ án tốt nghiệp Đại Học Lời mở đầu Mặc dù đã rất cố gắng nhưng do hạn chế về mặt kiến thức thực tế cũng như chuyên môn nên chắc chắn đồ án của em vẫn không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô để bài đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên làm đồ án Phạm Phúc Thịnh GVHD: TS. Nguyễn Đức Nhân SVTH: Phạm Phúc Thịnh – D08VT1 Đồ án tốt nghiệp Đại Học Lời cảm ơn LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được đồ án này, trước tiên, em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của thầy giáo-TS Nguyễn Đức Nhân. Thầy đã giúp đỡ em rất nhiều trong việc định hướng đề tài, giảng giải cho em những kiến thức liên quan đến đồ án. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới các Thầy Cô giáo trong Học viện đã truyền đạt cho em những kiến thức quý báu trong suốt 4 năm Đại Học. Xin gửi lời cảm ơn tới những người bạn, những thành viên của nhóm P.Team- lớp D08VT1. Mọi người đã giúp đỡ em trong quá trình xây dựng và hoàn thiện đồ án này. Cuối cùng, xin gửi một lời cảm ơn tới những người thân trong gia đình, cảm ơn bố mẹ vì trong suốt khoảng thời gian vừa qua đã hết sức tạo điều kiện để con có thể hoàn thành đồ án này một cách tốt nhất! Sinh viên Phạm Phúc Thịnh GVHD: TS. Nguyễn Đức Nhân SVTH: Phạm Phúc Thịnh – D08VT1 Đồ án tốt nghiệp Đại Học Mục Lục MỤC LỤC GVHD: TS. Nguyễn Đức Nhân SVTH: Phạm Phúc Thịnh – D08VT1 Đồ án tốt nghiệp Đại Học Danh mục bảng, hình vẽ DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ GVHD: TS. Nguyễn Đức Nhân SVTH: Phạm Phúc Thịnh – D08VT1 Đồ án tốt nghiệp Đại Học Thuật ngữ viết tắt THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt ASK Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên BB Base Band Băng cơ sở BER Bit Error Ratio Tỉ số lỗi bit BS Base Station Trạm gốc CNR Carrier Noise Ratio Tỉ lệ sóng mang trên tạp âm CS Central Station Trạm trung tâm DFB Distributed Feedback Laser Laser phản hồi phân bố EAM Electroabsorption Modulator Bộ điều chế hấp thụ điện tử EOM External Optical Modulator Bộ điều chế quang ngoài FFBI Fibre Fabry-Perot Interferometer Giao thoa kế Fabri Perot sợi FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch tần GSM Global System For Mobile Communications Hệ thống di động toàn cầu IF Intermediate Frequency Tần số trung tần IM-DD Intensity Modulation - Direct Detector Điều chế cường độ và tách sóng trực tiếp ITS Intelligent Transportation System Hệ thống giao thông thông minh LD Laser Diode Lase Diot LO Local Oscillator Bộ dao động nội MBS Mobile Broadband System Hệ thống di động băng rộng MH Mobile Host Trạm di động MVDS Multipoint Video Distribute System Hệ thống phân phối video đa điểm MZM Mach-Zehnder Modulator Bộ điều chế Mach-Zehnder PD Photo Diode Phô-tô Đi-ốt PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha PSTN Public Switching Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng QAM Quadrature Amplifier Modulation Điều chế biên độ cầu phương RAU Remote Anten Unit Khối anten đầu xa RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RHD Remote Heterodyne Detector Tách sóng Heterodyne đầu xa RIN Relatine Intensity Noise Nhiễu cường độ tương đối RoF Radio over Fiber truyền sóng vô truyến qua sợi quang RVC Road Vehicle Communication Truyền thông giữa các phương tiện giao thông SCM Sub-Carrier Multiplexing Ghép kênh sóng mang con UMTS Universal Mobile Telecommunications System Hệ thống thông tin di động toàn cầu WLAN Wireless LAN Mạng LAN không dây GVHD: TS. Nguyễn Đức Nhân SVTH: Phạm Phúc Thịnh – D08VT1 Đồ án tốt nghiệp Đại Học Chương I: Tổng quan về RoF CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROF 1.1. Sự kết hợp giữa truyền dẫn vô tuyến và sợi quang. Xu hướng mạng truy nhập vô tuyến hiện nay đang hướng tới việc đáp ứng cho các dịch vụ đa phương tiện, tương tác và băng rộng, với việc sử dụng băng tần cao hơn ở tần số mm. Điều này khiến cho kích thước cell giảm đi nên sẽ đòi hỏi một số lượng lớn các trạm BS để phủ sóng đối với các vùng dịch vụ. Tuy nhiên với một số lượng lớn BS thì giá thành cho mỗi BS sẽ là một bài toán kinh tế khó khăn. Yêu cầu này đã dẫn tới sự phát triển của kiến trúc mạng tập trung với các chức năng như xử lý tín hiệu, định tuyến, chuyển giao và cấp tần số đều được đặt tại trạm điều khiển CS, hơn là đặt tại BS. Hơn nữa, cấu hình tập trung tại CS cho phép các thiết bị đắt tiền được đặt trong môi trường an toàn hơn và hiệu quả sử dụng thiết bị sẽ được chia đều cho các BS. Một giải pháp thay thế cho tuyến truyền dẫn giữa một CS với các BS trong mạng vô tuyến đó là sử dụng truyền dẫn sợi quang với ưu điểm là tổn hao thấp, không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ trường và băng thông rất lớn. Truyền dẫn tín hiệu vô tuyến thông qua sợi quang với hình thức chuyển đổi đơn giản từ quang sang điện sau đó truyền tới các khối anten đầu xa kết nối với CS, được xem như một phương pháp tối giúp giản chi phí. Sự giảm thiểu chi phí có thể thực hiện theo hai cách. Một là các khối anten đầu xa BS hoặc các điểm phân phối tín hiệu chỉ cần các chức năng đơn giản và có kích thước nhỏ. Hai là các tài nguyên cung cấp bởi CS sẽ được chia sẻ cho nhiều BS, như trên hình 1.1. Kĩ thuật điều chế sóng vô tuyến trên các sóng mang quang rồi phân phối tới một mạng quang được gọi là kỹ thuật truyền sóng vô tuyến trên sợi quang – Radio over Fiber. Hình 1. 1: Ví dụ về một mạng RoF SVTH: Phạm Phúc Thịnh – D08VT1 Trang 7 Đồ án tốt nghiệp Đại Học Chương I: Tổng quan về RoF Một mạng RoF đặc trưng bao gồm một trạm trung tâm CS, nơi tất cả các chức năng chuyển mạch, định tuyến, điều khiển truy nhập phương tiện (MAC), quản lý tần số đều được tập trung lại, và một mạng sợi quang kết nối với một số lượng lớn các anten đầu xa BS để phân phối tín hiệu vô tuyến. Tại BS sẽ không có các chức năng xử lý, chức năng chính của nó là chuyển đối tín hiệu quang sang vô tuyến và ngược lại. Các đặc điểm chính của một mạng RoF bao gồm: • Các chức năng điều khiển như ấn định kênh, điều chế, giải điều chế được tập trung ở CS nhằm đơn giản hóa cấu trúc của BS. Các BS có chức năng chính đó là chuyển đổi quang/điện, khuếch đại RF và chuyển đổi điện quang. • Kiến trúc mạng tập trung cho phép khả năng cấu hình tài nguyên và cấp băng thông động (thành phần này có thể sử dụng băng thông thành phần khác nếu băng thông đó thực sự rỗi) cho phép sử dụng băng thông hiệu quả hơn. Hơn nữa nhờ tính tập trung nên khả năng nâng cấp và quản lý mạng đơn giản hơn. • Do cấu trúc các BS đơn giản nên sẽ có sự ổn định cao hơn, việc quản lý cũng trở nên đơn giản, ngoại trừ số lượng lớn. • Đặc biệt là kỹ thuật RoF trong suốt với các giao diện vô tuyến (điều chế, tốc độ bit,…) và các giao thức vô tuyến nên mạng có khả năng triển khai đa dịch vụ trong cùng thời điểm. • Nếu khắc phục các nhược điểm trong RoF thì một CS có thể phục vụ được các BS ở rất xa, tăng bán kính phục vụ của CS. Từ khi công nghệ RoF lần đầu tiên được áp dụng cho dịch vụ điện thoại không dây vào năm 1990, đã có rất nhiều nghiên cứu để tìm hiểu các hạn chế của nó cũng như tìm các hướng phát triển mới để nâng cao hiệu năng cho công nghệ RoF. Các ứng dụng của RoF được tập trung chủ yếu vào mạng di động tế bào, mạng WLAN ở băng tần milimet, mạng truy nhập vô tuyến băng rộng và mạng giao thông thông minh. Với cấu trúc BS đơn giản, giá thành triển khai hệ thống không lớn, công nghệ RoF được kì vọng sẽ trở thành một giải pháp tối ưu cho truyền thông vô tuyến băng rộng trong tương lai. 1.2. Giới thiệu kỹ thuật truyền sóng vô tuyến qua sợi quang. 1.2.1. Khái niệm. Truyền sóng vô tuyến trên sợi quang, Radio over Fiber hay gọi tắt là RoF là phương pháp truyền tín hiệu vô tuyến đã được điều chế trên sợi quang. Hay nói cách khác RoF sử dụng các tuyến quang có độ tuyến tính cao để truyền dẫn các tín hiệu RF (analog) đến các trạm thu phát. SVTH: Phạm Phúc Thịnh – D08VT1 Trang 8 Đồ án tốt nghiệp Đại Học Chương I: Tổng quan về RoF Công nghệ truyền sóng vô tuyến qua sợi quang sử dụng đường truyền sợi quang để phân phối các tín hiệu tần số vô tuyến (RF) từ các vị trí trạm trung tâm tới các khối anten đầu xa (RAUs), hình 1.2. Hình 1. 2: Mô tả truyền dẫn RoF. 1.2.2. Các thành phần cơ bản của tuyến truyền dẫn RoF. Một cách tổng quát có thể xem một tuyến quang sử dụng công nghệ RoF bao gồm 3 thành phần chính là: Mobile Host, Base Station và Central Station. Mobile Host (MH): đó là các thiết bị đi động trong mạng đóng vai trò là các thiết bị đầu cuối. Các MH có thể là điện thoại đi động, máy tính xách tay, các PDA, hay các máy chuyên dụng khác có tích hợp chức năng truy nhập vào mạng không dây. Base Station (BS): có nhiệm vụ phát sóng vô tuyến nhận được từ CS đến các MH, nhận sóng vô tuyến nhận được từ MH truyền về CS. Mỗi BS sẽ phục vụ một microcell. BS không có chức năng xử lý tín hiệu, nó chỉ đơn thuần biến đổi từ thành phần điện/quang và ngược lại để chuyển về hoặc nhận từ CS. BS gồm 2 thành phần quan trọng nhất là antenna và thành phần chuyển đổi quang điện ở tần số RF. Tùy bán kính phục vụ của mỗi BS mà số lượng BS để phủ sóng một vùng là nhiều hay ít. Bán kính phục vụ của BS rất nhỏ (vài trăm mét hoặc thấp hơn nữa chỉ vài chục mét) và phục vụ một số lượng vài chục đến vài trăm MH. Central Station (CS): là các trạm đầu cuối hay trạm xử lý trung tâm. Tùy vào khả năng của kỹ thuật RoF mà mỗi CS có thể phục vụ các BS ở xa hàng chục km, nên mỗi CS có thể nối đến hàng ngàn các BS. Do kiến trúc mạng tập trung nên tất cả các chức năng như định tuyến, cấp phát kênh,… đều được thực hiện và chia sẻ ở CS SVTH: Phạm Phúc Thịnh – D08VT1 Trang 9 Đồ án tốt nghiệp Đại Học Chương I: Tổng quan về RoF vì thế có thể nói CS là thành phần quan trọng nhất trong mạng RoF (cũng giống như tổng đài trong mạng điện thoại). CS được nối đến các tổng đài, server khác. Các thành phần MH, BS, CS được biểu diễn như sau: Hình 1. 3: CS-BS-MH trong một tuyến RoF. 1.3. Ưu nhược điểm của RoF 1.3.1. Ưu điểm  Suy hao thấp Sự phân phối những tín hiệu điện tần số cao trong không gian tự do hoặc qua đường truyền dẫn kim loại là vấn đề khó giải quyết và đòi hỏi chi phí lớn. Trong khi đó với sợi quang có suy hao rất thấp, công nghệ RoF cùng lúc có thể có được cả sự phân phối sóng mm suy hao thấp và đơn giản hóa RAU. Các sợi đơn mode (SMF) làm từ thủy tinh có suy hao dưới 0,2 dB/km và 0,5 dB/km tại các cửa sổ 1550 nm và 1300 nm. Sợi quang chất dẻo (POF) công bố gần đây có suy hao từ 10-40 dB/km trong vùng 500-1300 nm. Những suy hao này thấp hơn nhiều so với cáp đồng trục. Ví dụ , suy hao của cáp đồng trục ½ inch (RG-214) là hơn 500 dB/km cho các tần số trên 5 GHz. Vì vậy nhờ truyền sóng siêu cao tần trên sợi quang, khoảng cách truyền dẫn tăng nhiều lần và yêu cầu về công suất phát giảm đi đáng kể.  Băng thông rộng Sợi quang có băng thông khổng lồ. Có ba cửa sổ truyền dẫn chính, suy hao thấp, cụ thể là các bước sóng 850nm, 1310 nm, 1500 nm. Với một sợi quang đơn mode, băng thông tổng của 3 cửa sổ này vượt quá 50 THz. Tuy nhiên các hệ thống thương mại hiện nay mới chỉ tận dụng được một phần nhỏ dung lượng này (1,6 THz). SVTH: Phạm Phúc Thịnh – D08VT1 Trang 10 [...]... một hệ thống truyền dẫn RoF SVTH: Phạm Phúc Thịnh – D08VT1 14 Trang Đồ án tốt nghiệp Đại Học Chương II: Hệ thống truyền dẫn RoF CHƯƠNG II: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN RoF 2.1 Tuyến truyền dẫn RoF RoF về cơ bản là một hệ thống truyền dẫn tương tự bởi vì nó phân phối dạng sóng vô tuyến trực tiếp trên các tần số sóng mang vô tuyến từ CS đến BS Trên thực tế, tín hiệu tưong tự được truyền qua sợi quang có thể là... đặc biệt là dùng kỹ thuật bù tán sắc bằng một bộ cân bằng điện tử trên ở tần số IF 2.5 Kết luận Nội dung chương 2 đã trình bày các đặc điểm chủ yếu của một tuyến truyền dẫn RoF bao gồm: cấu hình của các tuyến RoF, các kỹ thuật điều chế sóng mang quang được sử dụng trong việc truyền dẫn sóng vô tuyến trên sợi quang như điều chế cường độ-tách sóng trực tiếp IM-DD, kỹ thuật điều chế sử dụng bộ điều chế... đó được truyền tới CS bằng cách điều chế trực tiếp tín hiệu quang 2.2 Các kỹ thuật điều biến trong truyền dẫn vô tuyến số qua sợi quang Có nhiều kĩ thuật xử lý tín hiệu quang được sử dụng để tạo và truyền tải tín hiệu cao tần qua sợi quang Nếu so sánh tần số của tín hiệu RF đi vào một tuyến RoF ở trạm đầu cuối với tần số tín hiệu RF được tạo ra ở RAU thì có thể chia các kĩ thuật RF làm 3 loại: truyền. .. là kỹ thuật tách sóng Heterodyne đầu xa (RHD) ở phía thu và các giải pháp được sử dụng để nâng cao hiệu quả cho kỹ thuật tách sóng này như sử dụng vòng khóa pha quang OPLL, bộ lọc tần số FM Các vấn đề ảnh hưởng lên hệ thống RoF như nhiễu, tán sắc cũng đã được phân tích cụ thể Qua đó thấy được, về cơ bản, các kĩ thuật trong truyền dẫn RoF cũng là các kỹ thuật trong vô tuyến do đó việc áp dụng kĩ thuật. .. bằng cách tận dụng những lợi ích của sợi quang Các chức năng RoF khác như phân bổ dung lượng động cũng đem lại những ích lợi hoạt động đáng kể trong các mạng tế bào b) Thông tin vệ tinh Thông tin vệ tinh là một trong ứng dụng thực tiễn của kỹ thuật RoF Một trong các ứng dụng này liên quan đến đầu xa của antenna của các trạm mặt đất Trong trường hợp này, hệ thống sử dụng các tuyến sợi quang ngắn có... tín hiệu vô tuyến sử dụng để điều chế tín hiệu ánh sáng từ LD tại CS, ta có thể phân chia cấu hình tuyến RoF thành các dạng sau: • • • • 2.1.1 Cấu hình tuyến RoF sử dụng bộ điều chế EOM và tín hiệu RF Cấu hình tuyến RoF sử dụng bộ điều chế EOM và tín hiệu IF Cấu hình tuyến RoF sử dụng bộ điều chế EOM và tín hiệu BB Cấu hình tuyến RoF sử dụng điều chế trực tiếp Cấu hình tuyến RoF sử dụng bộ điều chế EOM... tần và khoảng cách tuyến truyền dẫn 1.4 Ứng dụng của RoF a) Mạng tế bào Một trong những ứng dụng quan trọng của kỹ thuật RoF là ứng dụng trong mạng di động Với số lượng thuê bao di động ngừng tăng nhanh cùng với nhu cầu ngày càng lớn các dịch vụ băng rộng đã gây áp lực đòi hói các mạng di động phải tăng thêm dung lượng Bởi vậy, lưu lượng di động (GSM hay UMTS) có thể được truyền dẫn một cách hiệu quả... có thể chia các kĩ thuật RF làm 3 loại: truyền sóng vô tuyến qua sợi quang (RFoF); truyền tín hiệu trung tần qua sợi quang (IFoF) và truyền tín hiệu băng tần cơ sở qua sợi quang (BBoF) Các kỹ thuật này đã được trình bày ở phần trên Bên cạnh đó, kĩ thuật RoF cũng có thể được phân loại dựa vào các nguyên lý điều chế và tách sóng được sử dụng Khi đó RoF được chia làm 2 loại chính: Điều chế biên độ và... sử dụng điều chế trực tiếp 2.2.2 Kỹ thuật tách sóng Heterodyne đầu xa (RHD) Hầu hết các kỹ thuật RoF đều dựa vào nguyên lý trộn coherent trong diode phát quang để tạo ra tín hiệu RF Các kỹ thuật này được gọi chung là các kỹ thuật tách sóng Heterdyne đầu xa (RHD) Trong khi sử dụng chuyển đối O/E Diode quang cũng hoạt động như là một bộ trộn, nó đóng vai trò là một phần tử chính trong các hệ thống RoF. .. động (DR) của các tuyến RoF Nguồn tạp âm trong đường truyền sợi quang tương tự bao gồm tạp âm cường độ tương đối của laser (RIN), nhiễu pha laser, nhiễu nổ của bộ tách sóng quang, nhiễu nhiệt của bộ khuếch đại, tán sắc của sợi Trong hệ thống RoF sử dụng sợi đơn mode, tán sắc màu giới hạn chiều dài tuyến và cũng là nguyên nhân làm tăng nhiễu pha sóng mang RF Trong hệ thống RoF sử dụng sợi đa mode, tán . sóng vô tuyến trên sợi quang, Radio over Fiber hay gọi tắt là RoF là phương pháp truyền tín hiệu vô tuyến đã được điều chế trên sợi quang. Hay nói cách khác RoF sử dụng các tuyến quang có độ tuyến. chọn OFDM- RoF làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp. Nội dung đồ án bao gồm 4 chương: • Chương I - Tổng quan về RoF • Chương II - Hệ thống truyền dẫn RoF • Chương III - Kỹ thuật OFDM • Chương IV - Ứng dụng. tín hiệu quang. 2.2. Các kỹ thuật điều biến trong truyền dẫn vô tuyến số qua sợi quang. Có nhiều kĩ thuật xử lý tín hiệu quang được sử dụng để tạo và truyền tải tín hiệu cao tần qua sợi quang.