Nghiên cứu công nghệ CO-OFDM và ứng dụng trong mạng truy nhập quang băng rộng

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THONG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CO-OFDM VA UNG DỤNG

TRONG MẠNG TRUY NHẬP QUANG BĂNG RỘNG

CHUYEN NGÀNH: KỸ THUẬT VIÊN THONGMÃ SỐ: 60.52.02.08

TOM TAT LUAN VAN THAC Si

HA NOI - 2015

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIEN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THONG

Người hướng dẫn khoa học : Tiến sĩ Hoàng Văn Võ

Phản biện 1:

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đông châm luận văn thạc sĩ tại Học

viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc : gIỜ ngay thang 9 nam 2015

Có thê tìm hiệu luận văn tại:

- Thu viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ ĐẦU

Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu của con người về trao đổi thông tin ngày càng lớn Đề đáp ứng những nhu cầu đó, đòi hỏi mạng lưới viễn thông phải có tốc độ cao, dung lượng lớn Các hệ thống truyền dẫn điện đã rơi vao trạng thái bão hòa, hay nói cách khác tốc độ cho phép của môi trường truyền dẫn điện chỉ nằm trong một giới hạn cho phép

(hàng chục Gb/s) Trong khi đó, yêu cầu truyền dẫn của các mạng lưới viễn thông ngày nay đã lên tới hàng Tb/s và thậm chí hơn Việc ra đời mạng truyền dẫn quang với băng thông gần như vô hạn đã phần nào đáp ứng được nhu cầu đó.Ta thấy, chỉ trong một thời gian rất ngắn, khi công nghệ quang phát triển mạnh mẽ kèm theo các công nghệ khuếch đại quang

tiên tiến ra đời thì các hệ thống truyền thông quang mới thật sự thé hiện được kha năng vượt

trội của nó Các kỹ thuật ghép kênh được dùng cả trong miền điện và miền quang nhằm sử dụng tốt hơn nữa tài nguyên sẵn có và nâng cao tốc độ cho cả hệ thống Trong đó, có kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Day là kỹ thuật ghép kênh cho phép sử dụng hiệu quả phô tần số, có thé giải quyết van dé tán sắc do kênh truyền sợi quang gây ra, cho phép thông tin tốc độ cao, loại bỏ nhiễu liên sóng mang, Đề tài sẽ đi giới thiệu mô hình sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM này trên kênh truyền quang.

Công nghệ Coherent quang ( CO) cũng là một công nghệ có nhiều ưu điểm: nâng cao độ nhạy thu; có khả năng nâng cao dung lượng truyền dẫn; Công nghệ Coherent cho bộ thu quang hoạt động ở tần số thấp sau khi di qua bộ trộn tần số Do đó, quá trình biến đổi quang điện của các photodiode (PIN hay APD) không phụ thuộc nhiều vào tần số nữa (khắc phục được đặc tính động của các photodiode khi biến đổi quang điện Do đó nó có khả năng hoạt động ở tần số cao (trong truyền dẫn tương tự) hay ở tốc độ bit cao (trong truyền dẫn số) mà không xuất hiện méo biên độ và méo pha (trong truyền dẫn tương tự) hay méo sườn trước và sườn sau của các xung cúng như méo xuyên nhiễu của các xung (trong truyền dẫn tương tự) Từ đó, CO cho phép năng cao tốc độ truyền dẫn.

Mạng truy nhập quang là mạng truy nhập có nhiều ưu điểm như: Dung lượng lớn,

kích thước và trọng lượng cáp nhỏ, không bị nhiễu điện, tính bảo mật cao, chất lượng truyền

dẫn tốt, an toàn cho thiết bị, tốc độ truy nhập cao, nâng cấp băng thông dễ dàng Vì vậy nó phù hợp dé triển khai các dich vụ băng rộng (truy cập Internet tốc độ cao, hội nghị truyền

hình, IPTV/Triple Play, truyền hình độ nét cao (HDTV, SDTV), game online, các dich vụ

băng rộng phục vụ y tế, giáo dục, ) giữa các khối kết cuối đường dây ở xa (ONU) và kết

cuối mạng (OLT) Do đó, các giải pháp công nghệ Mạng truy nhập quang với ưu điểm về tốc độ cao, băng thông rộng đang được tập chung nghiên cứu, phát triển.

Xuất phát từ những cơ sở khoa học và thực tiễn đó, em đã quyết định chọn đề tải:

Nghiên cứu công nghệ CO-OFDM và ứng dung trong mạng truy nhập quang băng

Nội dung đề tài bao gồm 3 chương có nội dung như sau:

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

Chương 2: Công nghệ CO-OFDM

Chương 3: Ứng dụng trong mạng truy nhập quang băng rộng

CHUONG 1: CÔNG NGHỆ OFDM QUANG

1.1 Tinh trực giao trong kỹ thuật OFDM

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing: ghép kénh phan chia theo tan số trực giao) là phương pháp điều chế da sóng mang (MCM) Day là một kỹ thuật điều chế da sóng mang tiên tiễn, trong đó nguyên lý cơ bản của nó là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao trước khi phát thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn va phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một số sóng mang con khác nhau Các sóng mang này là trực giao với nhau có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một chu kỳ kí tự Điều này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn tần số một cách hợp lý Khi đó phổ của mỗi sóng mang băng “không” tại tần số trung tâm của tần số sóng khác trong hệ thống Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng

mang phụ.

Cac tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập với nhau Tính trực giao là một tính chất cho phép nhiều tín hiệu thông tin được truyền và thu tốt trên một kênh truyền chung và không có xuyên nhiễu giữa các tín hiệu này Mất đi tính trực giao sẽ làm cho các tín hiệu thông tin này bị xuyên nhiễu lẫn nhau và đầu thu khó khôi phục lại được hoàn toàn thông tin ban đầu.

1.2 Mô hình hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM.

Hình 1.2 trình bày sơ đồ khối thu phát ứng dụng kỹ thuật điều chế OFDM điền hình:

Tin hiệu

Hình 1.2 Sơ đồ (a) OFDM quang phía phát (b) OFDM phía thu

Sau đây chúng ta sẽ đi tìm hiểu một cách tổng quát chức năng của các khối trong sơ đồ hệ thông OFDM.

1.2.1 Bộ chuyển đổi nỗi tiép-song song (S/P-P/S)

Tín hiệu tại đầu vào được đưa vào bộ chuyên đổi nối tiếp sang song song S/P Bộ chuyền đồi S/P này có tác dụng chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành từng frame nhỏ có chiều

dài :

Với : b là số bit trong mô hình điều chế số, N là số sóng mang Trong đó k, N sẽđược chọn sao cho các luồng dit liệu song song có tốc độ đủ thấp dé băng thông sóng mang con tương ứng đủ hẹp, sao cho hàm truyền trong khoảng băng thông đó có thê xem là phẳng.

1.2.2 Bộ sắp xếp kí tự.

Trong đó, từng kí hiệu b bit sẽ được đưa vào bộ sắp xếp kí tự lên sóng mang con Mà ở đây chính là bộ ánh xạ (mapper) mục đích là nâng cao dung lượng kênh truyền Một kí hiệu b bit sẽ tương ứng một trong M =2” trạng thái hay một vi trí trong giản đồ chòm sao

Ngược lai bên phía thu, bộ demaper chuyền các vi tri trong giản đồ chòm sao thành

dữ liệu b bit tương ứng.

1.2.3 Bộ biến doi IDFT/DFT.

Giả sử tín hiệu x(n) có chiều dai là N (n = 0,1, 2, , N-1) Công thức của phép biến

1.2.4 Bộ chèn và loại bỏ khoảng bảo vệ GI.

Tín hiệu sẽ được chèn khoảng bảo vệ rỗng AG đủ lớn so với trải trễ hiệu dụng Trays

của kênh truyền thì nhiễu ISI sẽ được loại bỏ.

Đối với nhiễu ICI Có thé hạn chế ICI bang cách chèn khoảng thời gian bảo vệ một cách tuần hoàn, và dùng bộ cân bằng kênh dựa vào các ký hiệu pilot Các pilot giúp cho việc ước tính, cân bằng được thực hiện để bù ICI.

1.2.5 Bộ biến doi D/A và A/D.

1.3 Ưu và nhược điểm của kỹ thuật OFDM 1.3.1 Uu điểm của OFDM.

° Giảm ISI.

° Một ưu điểm nữa của kỹ thuật OFDM là khả năng chống lại fading chọn lọc tần số và nhiễu băng hẹp.

° Hơn nữa nhờ việc sử dụng sử dụng các bộ biến đổi IFFT/FFT tương ứng thay cho các bộ điều chế và giải điều chế thì cấu trúc máy phát và máy thu cũng đơn giản hơn rất nhiều.

1.3.2 Nhược điểm của OFDM.

° Ty số PARP.

° Dịch tần số và quá trình đồng bộ.

1.4 Mô hình hệ thống OFDM quang.

Dưới đây là mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM quang :

RF OFDM phia phát Chuyén RF sang quang

IDFT Gl

a Sk us rE a eS a re a ee

Khuéch dai quangChuyén quang sang RF

Hình 1.7 Kiến trúc hệ thống OFDM quang

1.5 Các khối chức năng.

1.5.1 Khối phát RF OFDM.

Dữ liệu đầu vào nối tiếp được đưa vào bộ S/P (chuyên đổi nối tiếp sang song song), tại đây dữ liệu sẽ được chuyên thành N, “kí tự thông tin” song song Những kí tự này sẽ được đưa vào bộ mapper nhằm nâng cao dung lượng kênh truyền Tín hiệu trong miền thời gian thu được sau khi qua bộ mapper sẽ được đưa đến bộ điều chế OFDM (IDFT) Khối IDFT nay có nhiệm vụ rời rac hóa tín hiệu OFDM trong miền thời gian, gia sử tín hiệu thu được sau khi biến đổi IDFT là cx: và sau đó được chèn một khoảng bảo vệ dé tránh phân tán kênh, chống nhiễu ISI (nhiễu liên kí tự) và nhiễu ISI (nhiễu kênh lân cận) Khoảng bảo vệ sẽ

được thêm vào dạng sóng của tín hiệu OFDM.

1.5.2 Khối chuyển RF sang quang.

Sau khi thu được tín hiệu băng gốc thì phần thực và phần ảo của tín hiệu này được đưa vào hai bộ điều chế quang dé chuyền thành tín hiệu quang Trong kỹ thuật OFDM quang có 2 giải pháp điều chế, đó là: điều chế quang trực tiếp và điều chế quang gián tiếp

1.5.2.1 Điều chế quang trực tiếp.

Dưới đây là sơ đồ mô tả cho điều chế quang trực tiếp : Ở phương pháp này điều chế được thực hiện băng cách sử dụng tín hiệu cần truyền dẫn trên đường truyền làm thay đổi

dòng điện kích thích chạy qua Lazer.

1.5.2.2 Điều chế gián tiếp ( điều chế ngoài).

Lúc này việc điều chế tín hiệu không được thực hiện bên trong lazer mà được thực

hiện bởi một linh kiện quang bên ngoài.

Có hai loại điều chế ngoài được sử dụng hiện nay đó là: Mach-Zehnder Modulator (MZM) và Electroabsorption Modulator (EA) Cu thé hon ta sé di phân tích bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder Bộ điều chế giao thoa MZM bao gồm một bộ chia tại ngõ vào, hai

nhánh dẫn sóng ánh sáng, và một bộ ghép tại ngõ ra Hoạt động của bộ MZM dựa vào hiện

tượng giao thoa ánh sáng và hiện tượng thay đổi chiết suất của vật liệu (LiNbO3) theo

cường độ dòng phân cực hay nói cách khác là tuân theo hiệu ứng Pockels (là hiệu ứng mà ở

đó chiết suất ánh sáng của môi trường biến đổi theo điện trường áp dụng lên môi trường đó Khi chiết suất ánh sáng thay đổi theo điện thế, pha của sóng truyền qua cũng bị thay đổi theo điện thế đó).

Có hai cách phân cực cho bộ MZM do là phân cực don (single drive) và phân cựcđôi (dual drive).

1.5.3 Kênh truyền quang và bộ khuyếch đại quang 1.5.3.1 Kênh truyền quang.

Tín hiệu sau khi được chuyên thành tín hiệu hiệu quang thì sẽ được đưa lên kênh truyền quang Kênh truyền này có tác dụng truyền tín hiệu quang từ đầu phát tới đầu thu Hầu hết các hệ thông quang mặt dat thì đều sử dụng sợi cáp quang làm kênh truyền quang.

¢ Phan loại sợi quang theo chỉ số chiết suất:

Trên quan điểm phân loại sợi quang theo chỉ số chiết suất thì sợi quang được phân

thành 2 loại:

+ Soi quang có chiết suất phân bậc(Sợi SI: Step-Index).

+ Soi quang có chiết suất giảm dan (Soi GI: Gradien-Index) ¢ Phan loại theo mode truyền dan:

Trên quan điểm phân loại sợi quang theo mode truyền dan thì sợi quang được phan

thành 2 loại:

+ Soi da mode (MM: Multi Mode).

+ Soi don mode (SM: Single Mode). 1.5.3.2 Bộ khuyéch đại quang.

Đề khuếch đại quang, người ta đã có nhiều loại bộ khuếch đại quang khác nhau được chia thành 2 loại chính: Khuéch đại quang bán dẫn SOA (Optical Semiconduction Amplifier) và khuếch đại quang sợi OFA (Optical Fiber Amplifer).

Trong các loại OFA, có bộ khuếch đại quang EDFA và bộ khuếch đại quang Raman Hiện nay, bộ khuếch đại quang EDFA được sử dụng khá phô biến.

1.5.4 Khối chuyển quang sang RF.

1.5.5 Khối thu RF OFDM.

1.5.5.1 Tách sóng trực tiếp.

Đối với kỹ thuật tách sóng trực tiếp tín hiệu quang đã điều chế cường độ thì cơ bản là quá trình đếm số lượng hạt photon đến bộ thu.

1.5.5.2 Tách sóng kết hợp.

Trong kỹ thuật tách sóng coherent, trước tiên bộ thu quang sẽ sử dụng phần tử dao động nội bởi một lazer diode ở phía thu dé cộng tín hiệu quang tới với tin hiệu quang được tạo ra tại chỗ, sau đó tách tín hiệu quang tông này thành tín hiệu điện.

1.6 Kết luận chương 1.

Chương | đã trình bày nguyên lý chung của công nghệ OFDM - là chia nhỏ một

luồng dữ liệu tốc độ cao trước khi phát thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên các sóng mang con trực giao với nhau.Trong công nghệ OFDM này đã rút ra được ưu điểm cũng như nhược điểm của hệ thong OFDM.

Từ việc tìm hiéu công nghệ OFDM đã làm co sở dé tìm hiểu mô hình hệ thống OFDM quang với năm khối chức năng cơ bản của hệ thống đó là: Khối phát RF OFDM, chuyên đổi từ RF sang quang (RTO), đường truyền quang và khuyếch đại quang, chuyển đổi quang sang RF (OTR) và khối thu RF OFDM Bên cạnh đó cũng đã đưa ra được hai phương pháp điều chế trong OFDM quang là: điều chế trực tiếp và điều chế gián tiếp; và hai phương pháp tách sóng trong OFDM quang đó là: tách sóng trực tiếp và tách sóng gián tiếp Từ việc phân loại trên thì đưa ra đưa hai loại hệ thống OFDM quang đó là: Hệ thống OFDM quang sử dụng kỹ thuật tách sóng trực tiếp (DDO-OFDM) và hệ thống OFDM quang sử

dụng kỹ thuật tách sóng Coherent ( CO-OFDMI).

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ CO-OFDM

2.1 Hệ thống thông tin quang Coherent.

Có 2 loại hệ thông thông tin quang coherent:

— Hệ thống thông tin quang Homodyne khi Au = A2 — Hệ thống thông tin quang Heterodyne khi 2⁄22

Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang Coherent được mô tả như trong hình 2.1.

Hình 2.3 Mô hình điều chế quang kết hợp sử dung MZM

Thành phan thực và ảo (I/Q) từ hai ngõ ra của bộ điều chế tín hiệu OFDM được

chuyên đôi từ miên điện sang miên quang nhờ hai bộ điêu chê ngoài MZM như mô tả trên

hình 2.3 Sau đó, tín hiệu quang tại đầu ra của hai bộ MZM được điều chế cầu phương (vuông góc) cộng lại và đưa vào sợi quang dé truyền đi.

2.1.2 Bộ thu quang.

Quá trình hoạt động bộ thu quang kết hợp được mô tả như sau :

(1) Một Lazer LD2 phát ra ánh sáng với tần số giao động nội Tín hiệu do Lazer LD2 phát ra

sau đó được chia làm hai nhánh, pha của một trong hai nhánh sẽ được lệch đi 90°

(2) Tín hiệu quang nhận được cũng được chia làm hai nhánh.

(3) Nhánh thứ nhất của tín hiệu quang nhận được sẽ trộn với sóng quang đã bị lệch 90° do

LD2 phát ra, sau đó được dò bởi 2 photo-detector Dòng điện sau mỗi photo-detector sẽ

được tông hợp lai và trả về thành phan I tương ứng bên phat.

(4) Nhánh thứ hai của tín hiệu quang nhận được sẽ trộn với sóng quang do LD2 phát ra, sau

đó cũng được dò bởi 2 photo-detector Dòng điện sau mỗi photo-detector sẽ được tông hợp lại và trả về thành phần Q tương ứng bên phát.

2.1.3 Những ưu điểm của hệ thông thông tin quang coherent.

2.1.3.1 Nâng cao độ nhạy thu.

2.1.3.2 Nâng cao khả năng truyền dẫn.

2.1.3.3 Khả năng kết hợp thu coherent với kỹ thuật khuếch đại quang 2.2 Hệ thống CO-OFDM.

2.2.1 Mô hình hệ thong CO-OFDM.

2.2.1.1 Khối phát và khối thu RF OFDM.

Bộ phát RF OFDM có nhiệm vụ điều chế tín hiệu OFDM trong miền điện Còn ngược lại thì bộ thu RF OFDM để giải điều chế tín hiệu OFDM trong miền điện thành dữ

liệu tương ứng với bên truyền.

2.2.1.2 Bộ chuyền đổi tín hiệu RTO và OTR.

Bộ chuyền đổi tín hiệu RTO để chuyên đổi tín hiệu từ miền điện sang miền quang và ngược lại bộ chuyền đổi tín hiệu OTR là dé chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện tai

phía thu.

Dé chuyển đổi tin từ miền điện sang miền quang thì bộ phát quang sử dụng một bộ điều chế I/Q quang Bộ điều chế nay bao gồm hai bộ điều chế MZM dé chuyền đôi đường

lên phần thực và phan ảo của tin hiệu OFDM s(t) từ miền RF sang miền quang; phan thực và phần ảo của s(t) sẽ được đưa đến mỗi bộ điều chế MZM tương ứng đề điều chế.

2.2.1.3 Bộ điều chế I/Q quang cho biến đổi tín hiệu điện-quang và quang-điện.

2.2.1.4 Các phương pháp tách sóng CO-OFDM.

Kỹ thuật tách sóng coherrent có hai loại chính đó là tách sóng heterodyne và tách

sóng homodyne.

Trong kỹ thuật tách sóng heterodyne, tín hiệu OFDM ở băng gốc trước tiên được đưa lên tần số trung tần f,,, ở miền điện, sau đó tín hiệu OFDM trung tần được điều chế trên sóng mang quang nhờ một bộ MZM Ở phía thu, tín hiệu quang OFDM trước tiên được chuyên về tín hiệu điện OFDM ở trung tần #;¿o; Sau đó việc tách ra các đường I/Q được

thực hiện ở miền điện.

Trong kỹ thuật tách sóng homodyne, sóng mang quang sử dụng một bộ điều chế điện-quang bao gồm hai bộ MZM riêng biệt được sử dụng dé điều chế hai phần I/Q của tín hiệu OFDM Ở phía thu, tín hiệu quang OFDM được tách làm hai phần I/Q ngay trong miền quang nhờ sử dụng hai bộ thu cân bằng (balanced receiver) và một bộ ghép lai 90°(90 degree — hybrid) Bộ thu RF OFDM xử lý tín hiệu OFDM 6 băng gốc dé khôi phục lại dir liệu ban đầu.

2.2.1.5 Kênh truyền quang.

2.3 Hệ thống OFDM Coherent ghép phố trực giao.

2.3.1 Nguyên lý ghép băng trực giao của hệ thong OBM-OFDM.

Đề khắc phục tắc nghẽn băng thông điện, có rất nhiều kỹ thuật đã được đưa ra trong đó nổi bật nhất là kỹ thuật OFDM ghép phổ trực giao: OBM-OFDM (Orthogonal Band Multiplexed) Về ban chất hoạt động của OBM-OFDM là chia toàn bộ phd OFDM vào trong nhiều băng [10,12], và các băng này được ghép trực giao với nhau Vì các băng có tính trực giao, các băng OFDM không có băng bảo vệ hoặc các băng bảo vệ nhỏ có thé được

ghép và tách mà không xảy ra nhiễu giữa các băng.

2.3.2 Nguyên lý OBM-OFDM.

Nguyên tắc cơ bản của OBM-OFDM là chia OFDM vào trong các băng con ma vẫn

duy trì tính trực giao của chúng.