ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU LOẠN MẠNH Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền thông quan qua không gian, bao gồm khái niệm, cấu trúc, ưu nhược điểm, cũng như các mô hình hệ thống FSO. Chương 2: Giới thiệu về các yếu tố ảnh hưởng tới suy hao trong hệ thống FSO. Nhiễu loạn không khí, giới thiệu về mô hình kênh nhiễu loạn không khí. Chương 3: Đánh giá ảnh hưởng của nhiễu loạn không khí mạnh lên hiệu năng hệ thống FSO, là trọng tâm chính của luận văn..
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - NGUYỄN BÁ LỰC ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU LOẠN MẠNH Chuyên ngành Mã số : KỸ THUẬT VIỄN THƠNG : 60.52.02.08 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2014 LUẬN VĂN ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: TS ĐẶNG THẾ NGỌC Phản biện 1: ………………………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………… …………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông Vào lúc: ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng -1LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, gia tăng không ngừng lưu lượng Internet phát triển nhanh chóng cơng nghệ quang tạo nên bước chuyển biến mẻ kiến trúc mạng viễn thông 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 truyền thông quang qua không gian FSO (Free Space Optics) lại 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 LOS (line-of-sight) tính hướng búp sóng quang cao Tương lai ngày địi hỏi phải có giải pháp truyền dẫn tốc độ cao để đáp ứng yêu cầu doanh nghiêp, tổ chức cá nhân FSO công nghệ viễn thông sử dụng truyền lan ánh sáng khơng gian để truyền tín hiệu hai điểm, tín hiệu quang, thay truyền sợi quang, phát búp sóng quang qua khơng gian Tuy nhiên, mơi trường khơng khí khơng phải kênh truyền thông lý tưởng Sự không đồng nhiệt độ áp suất khơng khí dẫn tới thay đổi số khúc xạ dọc theo tuyến đường truyền dẫn, hay gọi nhiễu loạn khơng khí Trong luận văn này, để tiện theo dõi, nội dung chương khái quát lại sau: - Chương 1: Tổng quan hệ thống truyền thông quan qua không gian, bao gồm khái niệm, cấu trúc, ưu nhược điểm, mơ hình hệ thống FSO - Chương 2: Giới thiệu yếu tố ảnh hưởng tới suy hao hệ thống FSO Nhiễu loạn khơng khí, giới thiệu mơ hình kênh nhiễu loạn khơng khí - Chương 3: Đánh giá ảnh hưởng nhiễu loạn khơng khí mạnh lên hiệu hệ thống FSO, trọng tâm luận văn Mặc dù cố gắng trình nghiên cứu, luận văn chắn khơng thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, em mong nhận thông cảm góp ý, nhận xét thầy giáo để luận văn hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Nguyễn Bá Lực CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY Chương tập chung giới thiệu hệ thống truyền dẫn thông tin FSO, ưu điểm thách thức FSO triển khai thực tế, ngồi chương cịn đưa mơ hình hệ thống FSO yếu tố ảnh hưởng đến hiệu hệ thống 1.1 Giới thiệu Trong năm gần đây, truyền thông quang tốc độ cao đóng vai trị quan trọng mạng viễn thông Truyền thông quang chia thành loại: truyền thông quang qua sợi quang truyền thơng quang vơ tuyến Chúng phân loại thành kết nối tầm nhìn thẳng (LOS) kết nối khuếch tán Kết nối LOS yêu cầu tuyến đường thông suốt, không bị tắc nghẽn cho việc truyền thông tin cậy, kết nối khuếch tán dựa vào tuyến đường quang khác từ phản xạ bề mặt Tuy nhiên, FSO sử dụng kết nối LOS trực tiếp kết nối laser điểm-tới-điểm qua bầu khí từ máy phát tới máy thu Truyền thông FSO qua khoảng cách vài kilomet đạt tới tốc độ liệu hàng Gbps Công nghệ FSO cung cấp tiềm dung lượng băng thông truyền thông sử dụng bước sóng quang khơng cần cấp phép Tuy nhiên, tính không đồng nhiệt độ áp suất bầu khí dẫn tới thay đổi số khúc xạ dọc theo tuyến đường truyền dẫn Những thay đổi số khúc xạ dẫn tới thay đổi không gian thời gian cường độ ánh sáng tới máy thu, kết tín hiệu bị pha-đinh Trong truyền thơng FSO, kết nối bị pha-đinh tác động bầu khí làm giảm hiệu cách rõ rệt việc làm tăng tỉ số lỗi bit BER độ trễ truyền dẫn Hình 1 Hệ thống truyền thông quang không dây 1.1.1 Các lợi thách thức hệ thống FSO Ø Các lợi FSO: ü Không yêu cầu cấp phép phổ tần vô tuyến ü Không bị ảnh hưởng nhiễu điện từ 3 ü Dễ dàng triển khai lắp đặt ü Khả an tồn cao Cơng nghệ FSO đáp ứng nhiều ưu điểm, so sánh với công nghệ cáp sợi Các hệ thống FSO triển khai nhanh nhiều mà không cần cấp phép Nó triển khai với nhiều kiến trúc mạng, lắp đặt từ nhà tới nhà, cửa sổ tới cửa sổ tùy theo yêu cầu Ø Các thách thức hệ thống FSO: Giới hạn FSO mơi trường truyền dẫn gây Ngồi việc tuyết mưa làm cản trở đường truyền quang, FSO chịu ảnh hưởng mạnh sương mù nhiễu loạn khơng khí Những thách thức việc thiết kế hệ thống FSO hình 1.2: Hình Những thách thức FSO ü Sương mù: Sương mù thách thức Sương mù nước tập hợp từ giọt nước nhỏ có đường kính vài trăm micro mét làm thay đổi đặc tính truyền lan ánh sáng ngăn cản hoàn toàn truyền lan ánh sáng thông qua kết hợp tượng hấp thụ, tán xạ phản xạ ü Sự nhấp nháy: Sự nhấp nháy biến đổi không gian cường độ sáng gây hỗn loạn khơng khí ü Sự trơi búp: Sự trơi búp xảy luồng gió hỗn loạn (gió xốy) lớn đường kính búp sóng quang gây dịch chuyển chậm đáng kể búp sóng quang Sự trơi búp kết hoạt động địa chấn gây dịch chuyển tương đối vị trí laser phát thu quang ü Giữ thẳng hướng phát-thu tòa nhà dao động: Giữ thẳng hướng khối phát khối thu quan trọng nhằm đảm bảo thành cơng việc truyền tín hiệu ü Sự an toàn cho mắt: Với gia tăng hệ thống truyền thông quang vô tuyến sử dụng búp laser hướng vùng dân cư mật độ cao, an toàn cho mắt vấn đề đáng quan tâm 4 1.1.2 Ứng dụng công nghệ FSO Ø Kết nối tốc độ cao tòa nhà với FSO: Hiện nay, doanh nghiệp gặp phải vấn đề tải lưu lượng mạng kết nối tòa nhà Với doanh nghiệp sử dụng mạng nội dựa tiêu chuẩn Gigabit Ethernet, kết nối 2.048 (hoặc 1.544) Mbit/s tòa nhà làm hạn chế lưu lượng kết nối.: − Tắc nghẽn lưu lượng − Yêu cầu xin phép cấp giấy phép − Việc đào rãnh, cống đặt cáp − Vấn đề liên quan tới hợp đồng thuê (cho thuê) tòa nhà − Tốn thời gian lắp đặt − Chi phí cao Ø Hệ thống FSO vấn đề an ninh mạng: Mặc dù FSO cơng nghệ khơng dây khơng phát quảng bá tới người tất người FSO phát búp sóng ánh sáng hẹp, tần số cao tới nơi xác định Do khó cho cá nhân thu trộm thơng tin mà khơng bị phát 1.2 Mơ hình hệ thống FSO Các thành phần hệ thống truyền thông quang không dây minh họa hình 1.3 Hình Sơ đồ khối hệ thống truyền thống truyền thông quang không dây 1.2.1 Bộ phát Dữ liệu đầu vào phía nguồn truyền tới đích xa Phía nguồn có chế điều chế sóng mang quang riêng, chẳng hạn điều chế laser, tín hiệu quang sau truyền qua kênh khí Các tham số hệ thống phát quang kích cỡ, cơng suất chất lượng búp sóng, tham số xác định cường độ laser góc phân kỳ nhỏ đạt từ hệ thống 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 1.2.2 Bộ thu Tại phía thu, trường quang tập trung lại tách, với xuất xuyên nhiễu, méo tín hiệu, xạ Bên phía thu, đặc tính quan trọng kích cỡ độ mở (aperture size) số lượng photon, đặc tính xác định lượng ánh sáng tập trung phạm vi tách trường quang tách quang 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng lên hiệu hệ thống FSO Ø Nhiễu lượng tử Đối với đi-ốt tách quang APD, nguồn nhiễu chủ yếu nhiễu lượng tử, cịn có dạng nhiễu liên quan với nhiễu thừa tạo trình nhân thác ngẫu nhiên Dạng nhiễu F(g) định nghĩa tỉ số nhiễu thực tế tạo đi-ốt tách quang thác với nhiễu tồn tất cặp sóng mang nhân g cho Trong g hệ số nhân trung bình bình phương xấp xỉ g2+x với x thay đổi khoảng đến tùy thuộc vào vật liệu cấu trúc.Do đó, trung bình bình phương biên độ dòng điện nhiễu lượng tử APD là: Ø Nhiễu nhiệt Nhiễu nhiệt, hay gọi nhiễu Johnson nhiễu Nyquist, gây rối loạn nhiệt độ điện tích sóng mang qua điện trở Ở nhiệt độ nhiệt độ tuyệt đối, lượng nhiệt điện tích sóng mang điện trở dẫn tới thay đổi mật độ điện tích cục Những điện tích thay đổi gây gradient điện áp cục mà tạo dòng điện tương ứng phần lại mạch điện Nếu mạch điện hoạt động với băng thông D f điện trở RL số băng thơng này, trung bình bình phương biên độ dịng điện nhiễu Johnson i JN cho k số Boltzmann T nhiệt độ tuyệt đối Một cách để làm giảm loại nhiễu làm nguội thành phần xuất nhiễu tới nhiệt độ thấp Ø Nhiễu dòng tối nhiễu Ø Sự lệch chùm sáng Ø Sự mở rộng chùm sáng – Mở rộng chùm phân kỳ chùm sáng tán xạ Do làm giảm mật độ công suất thu 6 Ø Sự nhấp nháy chùm sáng – Sự thay đổi mật độ công suất không trung mặt phẳng thu gây can thiệp nhiễu nhỏ có chùm quang Ø Sự suy giảm tính qn khơng gian – Sự nhiễu loạn khơng khí gây tổn thất tính quán (kết hợp) pha chùm quang Điều đặc biệt ảnh hưởng mạnh cho thu làm việc dựa nguyên lý trộn photon (ví dụ thu quán) Ø Sự biến động phân cực – Kết từ thay đổi trạng thái phân cực chùm quang thu sau qua môi trường nhiễu loạn Tuy nhiên, lượng phân cực biến động không đáng kể xạ quangngang qua vùng không khí nhiễu loạn 1.4 Kết luận Nội dung chương giới thiệu khái quát hệ thống truyền thông quan qua khơng gian mơ hình hệ thống FSO, yếu tố ảnh hưởng đến hiệu hệ thống Tương lai ngày đòi hỏi phải có giải pháp truyền dẫn tốc độ cao để đáp ứng yêu cầu doanh nghiêp, tổ chức cá nhân Các giải pháp cần phải có chi phí hiệu quả, triển khai nhanh, truyền dẫn thơng tin cách an tồn tin cậy FSO đáp ứng yêu cầu sử dụng ngày nhiều tương lai 7 CHƯƠNG II MƠ HÌNH KÊNH NHIỄU LOẠN KHƠNG KHÍ Chương giới thiệu kênh nhiễu loạn khơng khí bao gồm vấn đề: - Suy hao hệ thống FSO - Nhiễu loạn khơng khí - Lệch hướng phát, thu - Và mơ hình kênh nhiễu loạn khơng khí 2.1 Giới thiệu Bức xạ mặt trời bị hấp thụ bề mặt Trái Đất làm cho khơng khí xung quanh bề mặt Trái Đất nóng so với khơng khí điểm cao so với mực nước biển Lớp khí nóng trở nên mỏng bốc lên cao để hòa trộn cách hỗn loạn với vùng khơng khí lạnh xung quanh, làm cho nhiệt độ khơng khí thay đổi cách ngẫu nhiên Sự không đồng gây nhiễu loạn ô nhỏ rời rạc, xoáy lốc với nhiệt độ khác nhau, hoạt động lăng kính khúc xạ có kích cỡ khác số khúc xạ khác nhau: - Cường độ thăng giáng quan sát tách quang đặt cuối đường truyền Hiện tượng gọi nhấp nháy (scintillation) - Mức độ thay đổi thăng giáng so với kích cỡ tách sóng quang, với kích cỡ thu quang dùng để điều khiển ánh sáng tập hợp tới tách Hiện tượng gọi độ mở trung bình - Nếu búp sóng dạng Gaussian đối xứng trịn quan sát thấy khoảng cách khác từ phát, bị suy giảm dần với tăng lên khoảng cách độ mạnh nhiễu loạn Các thay đổi lũy tiến quan sát thấy là: (i) Độ lệch dạng búp sóng phụ thuộc vào thời gian (ii) Lệch hướng trọng tâm búp sóng (iii) Sự tăng lên độ rộng búp sóng vượt dự kiến nhiễu xạ (iv) Sự đứt gãy búp sóng thành phần riêng biệt cường độ sáng có hình dạng vị trí thay đổi theo thời gian Gió làm dịch chuyển khơng khí gây dịch chuyển trọng tâm chùm tia, chất gió khơng làm thay đổi ngẫu nhiên chùm tia laser nhiễu loạn Gió không đồng nhiệt độ tạo xốy lốc, nhỏ hay túi khí có kích thước thay đổi từ 0,1 cm đến 10 m, dẫn tới thay đổi nhanh số khúc xạ, nguyên nhân gây nhiễu loạn Các túi khí đóng vai trị thấu kính có đặc tính thay đổi theo thời gian Sự lan truyền ánh sáng khơng gian theo bị lệch hướng phần hay lệch hướng hoàn tồn phụ thuộc vào mối quan hệ kích thước chùm sáng phát mức độ không đồng nhiệt độ Nhiễu loạn khơng khí thường phân loại theo mơ hình phụ thuộc vào độ lớn thay đổi số khúc xạ khơng đồng Các mơ hình hàm khoảng cách truyền dẫn, xạ quang qua mơi trường khí phân loại theo mức độ yếu, trung bình mạnh 8 2.2 Suy hao FSO 2.2.1 Môi trường truyền dẫn Kênh truyền dẫn quang khác so với kênh nhiễu Gauss thông thường, tín hiệu đầu vào kênh, x(t), thể công suất biên độ Điều dẫn tới hai điều kiện ràng buộc tín hiệu truyền: i) x(t) phải không âm ii) giá trị trung bình x(t) khơng vượt q giá trị quy định Nước lớn gần bề mặt trái đất nằm tầng đối lưu Bảng 2.1 Các phần tử khí có kênh truyền Thành phần Tỷ lệ thể tích (%) Nitrogen (N2) 78,09 Oxygen (O2) 20,95 Argon (Ar) 0,93 Carbon dioxide (CO2) Phần triệu (ppm) 0,03 Hơi nước (H2O) 40 - 40,000 Neon (Ne) 20 Helium (He) 5,2 Methane (CH4) 1,5 Krypton (Kr) 1,1 Hydrogen (H2) Nitrous oxide (N2O) 0,6 Carbon monoxide (CO) 0,2 Ozone (O3) 0,05 Xenon (Xe) 0,009 Với phân bố kích thước dải thành phần khí từ micromét tới centimet, trường quang qua khí bị tán xạ hấp thụ gây suy hao 2.2.2 Tổn hao công suất Khi xạ quang qua bầu khí quyển, photon bị biến (hấp thụ) thành phần nước, khí CO2, sương mù, tầng Ozon…, lượng chuyển thành nhiệt thành phần khác qua không mát lượng hướng truyền lan ban đầu chúng bị thay đổi (tán xạ) Sự lan truyền trường quang qua bầu khí mơ tả định luật luật Beer – Lambert Chùm sáng bị trải rộng truyền kích thước chùm sáng nhận lớn so với kích thước thu Các yếu tố kết hợp với ảnh hưởng khác đề cập sau gây khác công suất phát công suất thu 9 2.2.3 Suy hao kênh truyền khơng khí Suy hao truyền tín hiệu bầu khí hệ trình hấp thụ tán xạ Nồng độ vật chất khí gây việc suy hao tín hiệu khác theo khơng gian thời gian, phụ thuộc vào điều kiện thời tiết vùng a) Hấp thụ - xảy có tương tác photon phần tử khí q trình truyền lan khí Một số photon bị hấp thụ lượng chúng biến thành nhiệt Hệ số hấp thụ phụ thuộc nhiều vào loại khí mật độ chúng Sự hấp thụ phụ thuộc bước sóng có tính chọn lọc Điều dẫn tới bầu khơng khí có vùng suốt – dải bước sóng có độ hấp thụ tối thiểu – xem cửa sổ truyền Tuy nhiên, bước sóng sử dụng FSO chọn để trùng với cửa sổ truyền lan khơng khí, kết hệ số suy hao chi phối tán xạ Do g ( l ) @ ba ( l ) b) Tán xạ - kết việc phân bố lại góc trường quang có khơng có thay đổi bước sóng Ảnh hưởng tán xạ phụ thuộc vào bán kính r hạt (sương mù, nước) gặp phải trình truyền lan Một cách mô tả tượng xét tham số kích cỡ x0 = 2p r / l Nếu x0 = tán xạ tán xạ Rayleigh, x0 »1 tán xạ Mie x0 ≥1 tán xạ thuộc loại khác (quang hình học) Quá trình tán xạ hạt khác có mặt bầu khí tóm tắt bảng 2.2 Bảng 2.2 Bán kính trình tán xạ hạt tán xạ điển hình có khơng khí l = 850 nm Kiểu Bán kính Kích cỡ tham số x0 Q trình tán xạ Phần tử khí 0,0001 0,00074 Rayleigh Hạt bụi 0,01 – 0,074 – 7,4 Rayleigh – Mie Hạt sương – 20 7,4 – 147,8 Mie – hình học Mưa 100 – 10000 740 – 74000 Hình học Tuyết 1000 – 5000 7400 – 37000 Hình học Mưa đá 5000 – 50000 37000 – 370000 Hình học 2.3 Nhiễu loạn khơng khí Chùm tia quang truyền qua khí chịu tác động nhiễu loạn khí với pha biên độ biến thiên ngẫu nhiên Nhiễu loạn trạng thái rối loạn dịng khí gây thay đổi nhiệt độ khí Nhiễu loạn khí bao gồm nhiều khu vực dịng xốy hình cầu với đường kính số khúc xạ khác Các chùm tia quang truyền qua khí không gian thời gian khác với chiết suất khác nhau, số không đồng quy mô khác Sự không đồng với quy mô lớn tạo 10 tượng khúc xạ khiến chùm tia phát lệch so với hướng truyền ban đầu [6] Do đó, quy mơ lớn hiệu ứng chủ yếu làm sai lệch pha sóng truyền Sự khơng đồng với quy mô nhỏ tao hiệu ứng nhiễu xạ làm sai lệch biên độ sóng gây biến thiên biên độ Nhiễu loạn khơng khí dẫn tới thay đổi ngẫu nhiên số khúc xạ khơng khí, n dọc theo tuyến đường truyền dẫn xạ quang qua mơi trường khơng khí Những thay đổi ngẫu nhiên nhiệt độ hàm áp suất khí quyển, độ cao so với mặt nước biển, tốc độ gió Mức độ nhỏ lớn xoáy lốc khơng khí, tương ứng gọi tỷ lệ (inner scale), l0, tỷ lệ (outer scale), L0, nhiễu loạn l0 thường nằm khoảng vài milimet L0 lên tới vài mét [7, 8] Các xốy lốc yếu dạng thấu kính mơ tả hình 2.1, gây tác động xuyên nhiễu ngẫu nhiên vùng khác búp sóng truyền dẫn làm cho dạng sóng bị biến dạng Hình Kênh khơng khí với xoáy lốc hỗn loạn 2.3.1 Sự thăng giáng cường độ Sự nhiễu loạn bầu khí phụ thuộc vào áp suất khí quyển, tốc độ gió thay đổi số khúc xạ Yếu tố làm cho biên độ pha tín hiệu bên thu thăng giáng liên tục (nhấp nháy), kết cho ta hình ảnh “nhảy múa” hình máy thu minh họa hình 2.2 Hình 2 Ảnh hưởng nhiễu loạn khơng khí lên tín hiệu thu 11 2.3.2 Sự giãn xung Môi trường nhiễu loạn khơng khí làm biến dạng xung quang lan truyền, giả sử dạng sóng đầu vào xung Gauss Sự biến dạng gây thay đổi khoảng thời gian tới xung quang đến máy thu, điều làm cho xung bị giãn rộng Do đó, tốc độ bit mong muốn đường truyền quang bị suy giảm Hình (a) Xung quang lan truyền qua mơi trường nhiễu loạn khí bị biến dạng; (b) Sự giãn xung làm tăng lỗi bit Trong phần luận văn có sử dụng lại số cơng thức tính giãn xung tổng hợp rút từ kết nghiên cứu cơng bố trước Tuy nhiên, cần phải ý rằng, mối quan hệ xác độ rộng xung cường độ nhiễu loạn không tồn Hiện tượng giãn xung gây xuyên nhiễu ký hiệu (ISI) xung gần kề nhau, làm tăng tỉ số lỗi bit (BER) hệ thống Trong phần này, ta biểu diễn giãn xung mơi trường nhiễu loạn khơng khí hàm số cấu trúc số khúc xạ Cn (m-2/3), số đặc trưng cho độ mạnh nhiễu loạn khơng khí 2.4 Lệch hướng phát-thu Lỗi định hướng (sự lệch hướng) tổng độ dịch tâm chùm tia tâm độ thu Sự lệch hướng tổng quát gồm yếu tố: lệch hướng cố định lệch hướng ngẫu nhiên Trong đường truyền thẳng hệ thống FSO, độ xác định hướng vấn đề quan trọng việc xác định hiệu đường truyền độ tin cậy Tuy nhiên, gió dãn nhiệt độ dẫn tới rung lắc tòa nhà, điều gây lệch hướng fading tín hiệu phía thu [9] Thu mơ hình thống kê cho lệch hướng, mà xác định kích thước độ thu, độ rộng chùm tia, phương sai jitter 12 Hình Mơ hình lệch hướng chùm tia 2.5 Mơ hình kênh nhiễu loạn khơng khí Mối liên hệ nhiệt độ mơi trường khơng khí số khúc xạ cho công thức (2.49) [11], phần lớn ứng dụng kỹ thuật, tốc độ thay đổi khúc xạ nhiệt độ kênh truyền biểu diễn theo công thức (2.50) [11] n = + 77.6 (1 + 7.52 ´10-3 l -2 ) - P ´10-6 Te (2.49) dn P = 7.8 ´10-5 dTe Te (2.50) P áp suất khí tính theo millibars, Te nhiệt độ tính theo độ Kelvin -6 -1 l bước sóng tính theo đơn vị microns Ở gần mực nước biển, -dn / dTe @ 10 K [11] Sự ảnh hưởng độ ẩm tới thay đổi số khúc xạ khơng tính đến công thức (2.49) độ ẩm giả thiết khơng có tác động đáng kể tất bước sóng Ø Mơ hình kênh log chuẩn Trường xạ (cường độ) môi trường nhiễu loạn I = A ( r ) cường độ khơng gian tự (khơng có nhiễu loạn) cho công thức I = A0 ( r ) , cường độ theo hàm log cho công thức: A(r ) l = log e = 2c A0 ( r ) (2.67) Do đó, I = I exp ( l ) Để đạt hàm mật độ xác suất xạ, sử dụng biến đổi, p ( I ) = p ( c ) tới hàm phân bố log chuẩn cho công thức (2.69) (2.68) dc , để dI 13 ì ( ln ( I / I ) - E ( l ) )2 ü ï ï p(I ) = exp íý 2s l 2ps l2 I ù ù ợ ỵ I (2.69) Trong phạm vi thăng giáng yếu, thông số thăng giáng xạ cho thấy qua thực nghiệm tuân theo phân bố log chuẩn Từ công thức (2.67) phương sai cường độ theo hàm log s l2 = 4s x2 cường độ log trung bình E [l ] = E [ X ] Dựa giả thiết, ta đưa E éexp ( l ) ù = E [ I / I ] = khơng có mát ë û lượng trình phân tán nhiễu loạn theo nghĩa E [ I ] = I Kỳ vọng, E [l ] đạt cách sử dụng mối quan hệ tiêu chuẩn công thức (2.70), công thức phù hợp cho biến Gauss ngẫu nhiên giá trị thực Biểu thức cho E [l ] tiếp đạt minh họa theo bước sau: E éexp ( az ) ù = exp ( aE [ z ] + 0.5a 2s z2 ) ë û (2.70) = exp ( E [l ] + 0.5s l2 ) (2.71) Do đó, E [l ] = -s l2 / (2.72) Sau có hàm mật độ xác suất thăng giáng xạ, việc rút biểu thức cho phương sai thăng giáng xạ, s I2 , quan trọng s I2 đặc tính hóa độ mạnh thăng giáng xạ Việc thực theo bước sau: { s I2 = E é I ù - E [ I ] = I 02 E éexp ( 2l )ù - E éexp ( l ) ù ë û ë û ë û 2 } (2.73) Bằng việc áp dụng công thức (2.70) vào công thức (2.73) thay cho E [l ] , phương sai cường độ đạt sau: s I2 = I 02 é exp (s l2 ) - 1ù ë û (2.74) Phương sai chuẩn hóa cường độ, thường biết đến tên gọi số nhấp nháy (S.I.) biểu diễn sau: S I = s N = s I2 = exp (s l2 ) - I0 (2.75) Như vậy, mơ hình kênh log chuẩn phù hợp cho kênh nhiễu loạn yếu Ø Mơ hình kênh Gamma-Gamma: Bức xạ chuẩn hóa I=XY phân chia thành hệ số mà hoạt động giống trình điều chế X Y xuất tương ứng, từ cấp độ lớn (large- scale) cấp độ 14 nhỏ (small-scale) hiệu ứng khơng khí Để phát triển mơ hình PDF xạ với tham số liên quan trực tiếp tới điều kiện khơng khí đảm bảo với lý thuyết nhấp nháy giới thiệu đây, giả sử hai cấp độ mạnh cấp độ yếu dao động xạ tổ chức phân bố gamma a (a X )a -1 exp(-a X ),a > 0, X > G(a ) (2 76) b (b Y )b -1 exp(-b X ), b > 0, Y > G( b ) (2 77) pX ( X ) = pY (Y ) = Phân bố gamma lựa chọn cho thấy phép xấp xỉ phù hợp cho nhiều toán lan truyền liên quan tới cường độ Bằng việc cố định X viết Y = I / X , ta thu hàm mật độ xác suất PDF có điều kiện pY ( I | X ) = b (b I / X ) b -1 exp(-b I / X ), I > X G( b ) (2 78) Khi X giá trị trung bình (có điều kiện) I Để thu phân bố xạ khơng có điều kiện, điều dẫn tới ¥ p(I ) = ịp Y¶ ( I | X ) p X ( X ) dX = 2(ab )(a +b )/2 (a +b ) -1 I Ka -b (2 ab I ), I > G(a )G(b ) (2 79) gọi giá trị phân bố gamma-gamma Phân bố Gamma-Gamma phương trình (2.68) xác định dạng tổng quát phân bố K Để nhận điều này, có ý phân bố Gamma-Gamma làm giảm phân bố K α β đồng Phân bố Gamma-Gamma thu mơ hình hàm mật độ xác suất PDF Gamma-Gamma (2.68) chuẩn hóa trường hợp mà I = Vì vậy, thời điểm thứ hai có I = (1 + / a )(1 + / b ) , cách so sánh kết với phương trình I = X Y = (1 + s X )(1 + s Y2 ) , với giả sử X = Y = , 2 s X sY phương sai chuẩn hóa X Y tương ứng Chúng ta xác định tham số phân bố Gamma-Gamma với nhấp nháy cấp độ lớn nhỏ theo a= 1 = 2 s X exp(s ln X ) - 1 b= = s Y exp(s ln Y ) - Điều cho thấy số nhấp nháy tổng từ s = s + s + s s liên quan tới tham số là: I X Y X Y (2 80) phương trình ban đầu 15 s I2 = 1 + + a b ab (2 81) Dựa vào phương trình (2.80), rõ ràng tham số α β liên quan trực tiếp tới tới điều kiện khơng khí thơng qua mơ hình cho nhấp nháy cấp độ lớn nhỏ (large scale and small scale) Đặc điểm phần bố Gamma- Gamma làm cho việc phát đoán xác suất mờ liên kết với kênh khơng khí nêu [8] Hàm phân bố tích lũy CDF (cummulative distribution function) hàm mật độ xác suất Gamma-Gamma PDF tìm thấy dạng closed-form Hàm phân bố tích lũy CDF liên kết với phân bố Gamma-Gamma tìm ra: IT P( I £ IT ) = ò p( I )dI = p sin [p (a - b )] G(a )G( b ) ì (ab IT ) b ´í F2 ( b ; b + 1, b - a + 1;ab IT ) l ỵ bG(b - a + 1) - ü (ab IT )a F2 (a ;a + 1, a - b + 1; ab IT ) ý l aG(a - b + 1) ỵ (2 82) Nhiều mơ hình thống kê cho biến động cường độ thông qua kênh FSO đề xuất hai thập kỷ qua Đối với nhiễu loạn yếu, hàm mật độ xác suất cường độ (pdf) mô hình hóa phân bố log chuẩn (log_normal), thơng qua phép đo thực nghiệm biên độ log cường độ quang có pdf Gauss với phương sai s X cho bởi: 2 s X = 0,30545k 7/6Cn ( L) z11/6 » sR (2 83) Trong đó: Cn ( L) số tham số cấu trúc khúc xạ độ cao L (giả định không đổi dọc theo đường truyền), k = π/λ số sóng quang quang, z khoảng cách truyền, sR phương sai Rytov định nghĩa: 2 s R = 1, 23C n k 7/6 z 11/6 (2.84) Lưu ý sR đo trực tiếp từ thơng số khí Sự phân bố log-normal mô tả hiệu ứng nhấp nháy chế độ nhiễu loạn mạnh Trong cách tiếp cận để lập mơ hình kênh, phân bố Gamma-Gamma sử dụng cho mô hình fading khí Trong trường hợp này, pdf cho là: f (ha ) = (ab ) (a + b ) / G(a )G ( b ) ( ) (a + b ) -1 ( Ka - b ab ) (2.85) 16 Trong Ka-b (.) hàm Bessel cải tiến loại hai, 1/β 1/α phương sai nhiễu loạn quy mô nhỏ lớn tương ứng Người ta chứng minh pdf GammaGamma phù hợp với phép đo nhiều điều kiện nhiễu loạn 2.6 Kết luận Nội dung Chương trình bày khái niệm mơ hình giải tích tham số đường truyền FSO bao gồm suy hao đường truyền, nhiễu loạn khơng khí yếu, mạnh lệch hướng Dựa mơ hình kênh nêu chương 2, việc phân tích, đánh giá hiệu hệ thống FSO ảnh hưởng nhiễu loạn mạnh lệch hướng trình bày chương 17 CHƯƠNG III HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU LOẠN MẠNH Chương nghiên cứu hiệu hệ thống thông quang không dây (FSO) qua kênh nhiễu loạn khơng khí mạnh Nội dung chương bao gồm: - Mơ hình hệ thống FSO sử dụng phân tích hiệu - Mơ hình tốn học tính tỷ lệ lỗi bit BER hệ thống FSO - Kết khảo sát BER, nhận xét đánh giá hiệu hệ thống 3.1 Giới thiệu Chương trình bày hiệu BER hệ thống FSO hỗ trợ chuyển tiếp (hệ thống FSO đa chặng) qua kênh nhiễu loạn khơng khí mạnh lệch hướng Trong q trình phân tích đưa thêm vào ảnh hưởng kênh nhiễu loạn khơng khí gồm suy hao đường truyền, giãn xung Không giống nghiên cứu trước thường sử dụng điều chế hai cấp, ví dụ như, on-off keying (Ook) điều chế vị trí xung nhị phân (BPPM), nghiên cứu sử dụng PPM M mức với M ≥ cho hệ thống FSO đa chặng Tất nút chuyển tiếp dựa kỹ thuật phát chuyển tiếp tín hiệu, phương pháp đơn giản kỹ thuật phát chuyển tiếp bit Để có nghiên cứu toàn diện ảnh hưởng nhiễu thu nhiễu tính đến 3.2 Mơ hình hệ thống FSO Mơ hình hệ thống FSO đa chặng biểu diễn hình 3.1 Nút nguồn (S) truyền tín hiệu số liệu tới nút đích (D) thơng qua hỗ trợ chuỗi N nút trung gian gọi nút chuyển tiếp Ở nút nguồn, số liệu vào phân tách thành khối b bit Mỗi khối sau ánh xạ vào trọng số M ký hiệu (s0, s1, ,sM), M = 2b Hình Hệ thống FSO đa chặng phát chuyển tiếp dùng M-PPM Trong điều chế PPM, khoảng thời gian kí hiệu Tw, chia thành M khe thời gian riêng biệt xung quang với lượng trung bình khơng đổi Pt gửi M khe thời gian, M-1 khe thời gian lại để trống 18 3.3 Mơ hình tốn học đánh giá lỗi bit (BER) hệ thống 3.3.1 Mơ hình kết hợp nhiễu loạn mạnh lệch hướng Hệ số kênh đường truyền xác định gồm hệ số suy hao khơng khí (hl), hệ số nhiễu loạn khí ( ) hệ số suy hao lệch hướng ( hp ) Vì hệ số kênh đường truyền xác định h =hl hp Do nhiễu loạn khơng khí, cường độ tín hiệu quan sát thu quang dao động ngẫu nhiên Điều coi nhấp nháy nguyên nhân làm suy giảm hiệu hệ thống FSO Ngoài ra, hệ số suy hao công suất mô tả luật Beers-Lambert theo quy luật hàm mũ hl ( z) = P( z) = exp(-s z) P(0) (3.8) hl ( z) suy hao qua đoạn truyền dẫn với chiều dài z, P(z) công suất khoảng cách z, s hệ số suy hao Sự suy hao phụ thuộc vào kích thước mẫu tán xạ bước sóng sử dụng Hàm phân bố xác suất h = hl hp tính theo fh (h) = ịf h ( h ) f ( ) dha (3.9) 3.3.2 Tỉ số tín hiệu nhiễu Tỉ số tín hiệu nhiễu điện SNR chuyển tiếp thứ i (hoặc nút đích) sử dụng điều chế PPM xác định sau: SNR = (mis - )2 s is + s in (3.17) Ta tính được: SNR = (ÂPh ) t i -1,i k 2eÂPhi-1,i Df + 4RBLT Df t (3.20) Ở e điện tích electron, kB số Boltzmann; T nhiệt độ tuyệt đối; RL điện trở tải; Df = Be/2 băng thông nhiễu hiệu dụng Nếu coi nhiễu nổ lớn đáng kể so với nhiễu nhiệt SNR cho : SNR =  Pt hi -1, i eD f (3.21) 3.3.3 Tỉ lệ lỗi bit (BER) Trong phần này, xác suất lỗi ký hiệu Psep chặng tính tốn Dựa vào xác suất lỗi hệ thống FSO đơn chặng, ta tính tốn BER hệ thống FSO đa chặng 19 Pi xác xuất lỗi ký hiệu thu nút thứ i với i = 1, 2, …N+1, xác suất lỗi ký hiệu nút thứ i tính tốn sau: P= i M Psep ( M -1) (3.22) Ta tính được: BER = M Pe ( M -1) (3.27) 3.4 Kết khảo sát BER, nhận xét đánh giá Phần trình báy khảo sát hiệu BER hệ thống FSO đa chặng sử dụng điều chế PPM Giả định khoảng cách chuyển tiếp dọc theo tuyến truyền dẫn L km từ nguồn tới đích Để có so sánh công cho hệ thống FSO đơn chặng thông thường sử dụng OOK BPPM, phân tích xem xét ràng buộc cơng suất trung bình bit Ps Mối quan hệ công suất trung bình khe thời gian (Pt) Ps cho bởi: M log2 M Ps (3.28) N +1 Ở N+1 số chặng Các tham số số hệ thống sử dụng phân tích bảng 3.1 Bảng Tham số số hệ thống Ký hiệu Giá trị Tên Pt = Điện tích electron e 1.6 ´ 10 - 19 C Độ nhạy photodiode  0.5 A/W Tỷ lệ nhiễu loạn L0 10 m Hệ số suy hao al 0.1 km-1 Đường kính độ mở máy thu 2a 20 cm Bán kính chùm tia 1km wz 2.5 m Độ lệch chuẩn jitter ss 30 cm Bước sóng l 1550 nm Hệ số cấu trúc số khúc xạ Cn 3x10-14 m-2/3 20 Bằng việc sử dụng chương trình Matlab, cố định tham số (khoảng cách, công suất phát ) thực cho chạy số tham số như: số nút (số chặng), tốc độ bit sau tập hợp kết đưa đồ thị mơ đây: Hình BER theo công suất truyền bit với Rb = Gbps L=5 km Hình 3.3 khảo sát BER hệ thống FSO theo công suất phát bit cho hai trường hợp, đơn chặng đa chặng Ngoài ra, hai cấp độ điều chế, BPPM 4-PPM khảo sát so sánh Do ảnh hưởng khí quyển, đặc biệt nhiễu loạn mạnh lệch hướng, hiệu suất hệ thống FSO đơn chặng sử dụng BPPM hạn chế Với khoảng cách km, yêu cầu công suất truyền khoảng 22 dBm để cung cấp BER 10-6 Bằng cách triển khai FSO đa chặng với N nút chuyển tiếp (N> 0), mức cơng suất u cầu giảm đáng kể Ví dụ, hệ thống FSO đa chặng BPPM với nút chuyển tiếp địi hỏi cơng suất truyền -5 dBm để cung cấp BER 10-6 Hình 3.3 cho thấy u cầu cơng suất phát giảm thêm dùng 4-PPM Ở kết hợp truyền dẫn đa chặng MPPM giải pháp tốt cho nhiễu loạn mạnh lệch hướng 21 Hình 3 BER theo số lượng nút chuyển tiếp với Ps = dBm, Rb = 1Gbps, L = 10 km BER hệ thống FSO đa chặng đánh giá số lượng nút chuyển tiếp thay đổi từ đến 10 Giả định công suất phát dBm khoảng cách 10 km Hình 3.4 số lượng nút chuyển tiếp cần thiết để đạt giá trị cụ thể BER giảm cách sử dụng M-PPM, phương pháp điều chế hiệu lượng Trong trường hợp sử dụng BPPM, hệ thống FSO đa chặng cần nút chuyển tiếp để đạt BER 10-6 cần nút chuyển tiếp trường hợp sử dụng 16PPM Việc giảm số lượng nút chuyển tiếp giúp giảm chi phí triển khai hệ thống FSO đa chặng 22 Hình BER so với tốc độ bit với Ps = dBm L = km Hình 3.5 cho thấy BER hệ thống FSO 4-PPM hàm tốc độ bit với Ps = dBm L = km Nhờ truyền dẫn đa chặng, BER cải thiện đáng kể Ngoài ra, hệ thống FSO đa chặng hỗ trợ tốc độ bit cao so với đơn chặng Ví dụ, tốc độ bit hỗ trợ hệ thống FSO đơn chặng (tại BER = 10-6) Gbps tốc độ bit 10 Gbps thu với hệ thống FSO đa chặng sử dụng nút chuyển tiếp BER hệ thống FSO đa chặng đánh giá số lượng nút chuyển tiếp thay đổi từ đến 10 Hình 3.5 cho thấy BER hệ thống FSO 4-PPM hàm tốc độ bit với Ps = dBm L = km Trên chương trình kết nghiên cứu TS Đặng Thế Ngọc Xong qua trình nghiên cứu tìm hiểu học viên thu kết tương tự, thời gian có hạn nên luận văn nhắc lại kết nghiên cứu trước 3.5 Kết luận chương Chương phân tích hiệu BER hệ thống FSO đa chặng qua môi trường nhiễu loạn khơng khí lệch hướng Các kết tính tốn cho thấy cải thiện đáng kể hiệu BER hệ thống FSO nhờ vào việc sử dụng kỹ thuật truyền dẫn đa chặng, kết hợp với sử dụng phương pháp điều chế M-PPM 23 KẾT LUẬN Luận văn trình bày cách tổng quan hệ thống truyền trông quang không dây (FSO), ưu điểm thách thức hệ thống Trình bày ngun nhân làm suy giảm hiệu hệ thống, phương pháp phân tích hiệu hệ thống FSO ảnh hưởng nhiễu loạn, đặc biệt nhiễu loạn mạnh Luận văn khảo sát việc sử dụng kỹ thuật đa chặng nhằm làm giảm ảnh hưởng nhiễu loạn mạnh lệch hướng từ giúp cải thiện hiệu hệ thống FSO Các kết nhận từ luận văn tiền đề cho việc nghiên cứu, phát triển kỹ thuật làm giảm ảnh hưởng nhiễu loạn mạnh lệch hướng từ giúp tăng cự ly truyền dẫn dung lượng hệ thống FSO ... hình hệ thống FSO - Chương 2: Giới thiệu yếu tố ảnh hưởng tới suy hao hệ thống FSO Nhiễu loạn không khí, giới thiệu mơ hình kênh nhiễu loạn khơng khí - Chương 3: Đánh giá ảnh hưởng nhiễu loạn. .. III HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU LOẠN MẠNH Chương nghiên cứu hiệu hệ thống thông quang không dây (FSO) qua kênh nhiễu loạn khơng khí mạnh Nội dung chương bao gồm: - Mơ hình hệ. .. hệ thống FSO sử dụng phân tích hiệu - Mơ hình tốn học tính tỷ lệ lỗi bit BER hệ thống FSO - Kết khảo sát BER, nhận xét đánh giá hiệu hệ thống 3.1 Giới thiệu Chương trình bày hiệu BER hệ thống FSO