BER TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY ĐA CHẶNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT DF

BER TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY ĐA CHẶNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT DF Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền thông quang không dây, bao gồm khái niệm, cấu trúc, ưu nhược điểm. Chương 2: Giới thiệu các kỹ thuật chuyển tiếp trong hệ thống thông tin quang đa chặng, bao gồm các kỹ thuật chuyển tiếp điện và chuyển tiếp quang. Chương 3: Đánh giá BER của hệ thống truyền thông quang không dây đa chặng sử dụng kỹ thuật tách và chuyển tiếp (DF).

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG NGUYỄN HỮU HẢI BER TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY ĐA CHẶNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT DF CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG MÃ SỐ: 60.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2014 Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: TS. ĐẶNG THẾ NGỌC Phản biện 1: TS. Đặng Đình Trang Phản biện 2: PGS. TS. Trần Hồng Quân Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: 15 giờ 30 ngày 09 tháng 08 năm 2014 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 1 MỞ ĐẦU Các hệ thống truyền thông quang sử dụng sợi quang hiện nay có khả năng truyền tải với dung lượng lớn, kết nối nhiều người dùng và cung cấp nhiều loại dich vụ như thoại, fax, hình ảnh, số liệu. Cùng có khả năng truyền dẫn tốc độ cao, nhưng các hệ thống truyền thông quang qua không gian FSO lại dễ dàng lắp đặt, di chuyển hoặc thiết lập lại cấu hình mạng khi cần. FSO có độ an toàn cao vì sử dụng thông tin tầm nhìn thẳng LOS và tính hướng của búp sóng quang cao. Cự ly hoạt động của một tuyến FSO thường ngắn từ vài trăm mét tới vài km. Việc triển khai các hệ thống FSO đa chặng cũng giúp khắc phục khó khăn khi không có đường truyền LOS giữ máy phát và máy thu, và tăng khoảng cách truyền dẫn. Nội dung luận văn, BER của hệ thống truyền thông quang không dây đa chặng FSO sử dụng kỹ thuật DF được bố cục như sau: Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền thông quang không dây, bao gồm khái niệm, cấu trúc, ưu nhược điểm. Chương 2: Giới thiệu các kỹ thuật chuyển tiếp trong hệ thống thông tin quang đa chặng, bao gồm các kỹ thuật chuyển tiếp điện và chuyển tiếp quang. Chương 3: Đánh giá BER của hệ thống truyền thông quang không dây đa chặng sử dụng kỹ thuật tách và chuyển tiếp (DF). 2 CHƯƠNG1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY FSO 1.1 Giới thiệu chung FSO là công nghệ viễn thông sử dụng sự truyền lan ánh sáng trong không khí để truyền tín hiệu giữa hai điểm. Đây là công nghệ truyền thông băng rộng tầm nhìn thẳng, trong đó tín hiệu quang, thay vì truyền trong sợi quang, được phát đi trong một búp sóng quang qua không gian. Một mạng truyền thông quang không dây bao gồm các bộ thu-phát quang (gồm một khối thu và một khối phát) cung cấp khả năng thông tin hai chiều. Mỗi khối phát quang sử dụng một nguồn quang và một thấu kính để phát tín hiệu quang qua không gian tới khối thu. Tại phía thu, một thấu kính khác được sử dụng để thu tín hiệu, thấu kính này được nối với khối thu có độ nhạy cao qua một sợi quang. Một tuyến FSO bao gồm hai bộ thu-phát được đặt trong tầm nhìn thẳng. Thông thường, các bộ thu phát được gắn trên nóc các tòa. 1.2 Mô hình hệ thống FSO hệ thống FSO gồm ba phần: bộ phát, kênh truyền và bộ thu hình 1.2 3 n quang (LED/ LASER)  u i  u  ch u n  t Thu n u thu c n u quang ch ng quang  n u c n p  n  u n Hình 1.2 Sơ đồ khối của hệ thống FSO 1.2.1 Bộ phát Phần tử này có nhiệm vụ chính là điều chế dữ liệu gốc thành tín hiệu quang sau đó truyền qua không gian tới bộ thu. Phương thức điều chế được sử dụng rộng rãi tại bộ phát là điều chế cường độ (IM) hoặc điều chế ngoài, trong đó cường độ phát xạ của nguồn quang sẽ được điều chế bởi số liệu cần truyền đi. Việc điều chế được thực hiện thông qua việc thay đổi trực tiếp cường độ của nguồn quang tại bộ phát hoặc thông qua bộ điều chế ngoài như bộ giao thoa Match- Zehnder. 1.2.2 bộ thu Bộ thu hỗ trợ việc khôi phục các dữ liệu đã được phát đi từ phía phát. Bộ thu bao gồm các thành phần sau: 4 a) 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 được nhiều phát xạ quang vào bộ tách sóng quang. b) Bộ lọc thông dải quang – Bộ lọc thông dải làm giảm lượng bức xạ nền. c) 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 được tóm tắt trong bảng 1.2. d) 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 được khôi phục. Bảng 1.1: Bộ tách sóng FSO Vật liệu/cấu trúc Bước sóng (nm) Đáp ứng Độ lợi Silicon PIN 300 – 1100 0,5 1 Silicon PIN, với bộ khuếch đại phối hợp trở kháng 300 – 1100 0,5 1 InGaAs PIN 1000- 1700 0,9 1 Silicon APD 400 – 1000 77 150 5 1.3 Các đặc điểm của hệ thống FSO 1.3.1 Ưu điểm a, Băng thông điều chế rộng b, Búp sóng hẹp: Phát xạ quang có búp sóng rất hẹp, trong khoảng 0.01 – 0.1mrad. Điều này cho thấy rằng công suất phát chỉ tập trung trong một vùng rất hẹp c, Không yêu cầu cấp phép phổ tần d, Triển khai nhanh chóng 1.3.2 Hạn chế Hạn chế chính của hệ thống FSO chủ yếu do môi trường truyền dẫn gây ra. Ngoài việc tuyết và mưa có thể 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 triển khai các hệ thống FSO như sau (hình 1.5): 6 1.4 Các ứng dụng của hệ thống FSO a, Truy nhập chặng cuối b, Dự phòng tuyến sợi quang c, Kết nối back-haul cho mạng tế bào d, Các tuyến tạm thời/ khắc phục sự cố e, Mạng truyền thông nhiều vùng nhỏ f, Các vùng địa lý khó khăn 1.5 Kết luận Ngày nay, truyền thông quang tốc độ cao đóng vai trò hết sức quan trọng trong mạng viễn thông. FSO không chỉ đáp ứng các yêu cầu truyền thông quang với tốc độ cao, mà đồng thời đem lại chi phí hiệu quả, triển khai nhanh, truyền dẫn thông tin một cách an toàn và tin cậy. Tuy nhiên, do ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn, khả năng ứng dụng của FSO vẫn bị giới hạn trong các ứng dụng với cự ly truyền thông ngắn. 7 CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG FSO ĐA CHẶNG 2.1 Giới thiệu hệ thống truyền thông FSO đa chặng Truyền thông FSO đa chặng được đề xuất như là một giải pháp để hạn chế ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn và tăng cự ly truyền thông của hệ thống FSO. Truyền đa chặng là chuyển tiếp tín hiệu từ nút nguồn (bộ phát) tới nút đích (bộ thu) qua các bộ trung gian gọi là bộ chuyển tiếp. Kỹ thuật truyền dẫn quang đa chặng giúp tăng vùng phủ sóng và độ tin cậy của hệ thống FSO bằng cách chia quãng đường truyền dẫn thành các chặng nhỏ, do đó làm giảm sự ảnh hưởng của fading trong môi trường truyền dẫn tại mỗi chặng hình 2.1 Bộ phát Bộ thu R1 R2 RM …. k=0 h1 h2 h M+1 K=M+1 Hình 2.1 Truyền thông quang đa chặng 2.2 Các kỹ thuật chuyển tiếp điện 2.2.1 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp điện AF 8 O/E E/O   ch i Hình 2.2 Sơ đồ bộ khuếch đại và chuyển tiếp điện Trong kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp điện (AF) truyền thống, tín hiệu quang thu được tại thấu kính thu của mỗi bộ chuyển tiếp được chuyển đổi thành dòng điện nhờ bộ tách quang (O/E). Tiếp theo, tín hiệu điện được khuếch đại bởi một bộ khuếch đại điện với một hệ số khuếch đại xác định ở mỗi bộ chuyển tiếp. Sau đó tín hiệu điện đã được khuếch đại sẽ được điều chế thành tín hiệu quang rồi truyền tới bộ chuyển tiếp tiếp theo. Hệ thống FSO đa chặng sử dụng kỹ thuật AF thì sơ đồ và tín hiệu được mô tả như hình 2.3 Hình 2.3 Sơ đồ FSO dùng chuyển tiếp AF 2. Kỹ thuật tách và chuyển tiếp DF O/E Tách tín hiệu E/O T/h vào T/h ra [...]... đa chặng sử dụng kỹ thuật DF Mô hình hệ thống FSO đa chặng sử dụng kỹ thuật DF được biểu diễn trên hình 3.1 Hình 3.1 Mô hình hệ thống FSO đa chặng sử dụng kỹ thuật DF Hệ thống sử dụng điều chế cường độ (IM) và điều chế MPPM ở máy phát trong khi ở phía thu sử dụng tách sóng trực tiếp 16 (DD) với bộ tách quang thác APD Ngoài ra, kỹ thuật tách bit và chuyển tiếp (BDF) được sử dụng trong hệ thống Trong mô... bản về các kỹ thuật chuyển tiếp trong cả miền điện và miền quang, trong đó đi sâu trình bày về các kỹ thuật chuyển tiếp quang Hiệu năng của hệ thống FSO chuyển tiếp điện sẽ được trình bày trong chương 3 14 CHƯƠNG 3: BER TRONG HỆ THỐNG FSO ĐA CHẶNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT DF 3.1 Mô hình hệ thống FSO đa chặng sử dụng kỹ thuật DF 3.1.1 Giới thiệu 3.1.2 Mô hình kênh FSO đa chặng Môi trường không khí không phải... chặng sử dụng kỹ thuật DF thì sơ đồ và tín hiệu được mô tả như hình 2.5 Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống FSO dùng chuyển tiếp DF 2.3 Các kỹ thuật chuyển tiếp quang 2.3.1 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp quang OAF 2.3.1.1 Giới thiệu 10 Trong hệ thống truyền thông FSO đa chặng sử dụng toàn bộ các phần tử quang, những ảnh hưởng của nhiễu loạn không khí tới tổng khoảng cách truyền thông và việc sử dụng các kỹ thuật. .. truyền Cụ thể hơn, hệ số kênh của sợi quang là không đổi, chứ không biến đổi một cách ngẫu nhiên như môi trường vô tuyến 3.2.2 Tỉ số lỗi bit BER Trong phần này, trước tiên ta tính BER của hệ thống FSO đơn chặng sử dụng M-PPM với bộ thu APD Dựa vào BER của hệ thống FSO đơn chặng, ta sẽ tính toán BER của hệ thống FSO đa chặng Psep là xác xuất lỗi ký hiệu tại bộ thu của nút thứ i với i = 1, 2, …N+1, BER. .. Rb = 1 Gbps Có thể thấy rõ rằng khoảng cách truyền dẫn có thể được tăng lên đáng kể bằng việc sử dụng kỹ thuật truyền dẫn đa chặng Tại BER 10-6, hệ thống FSO đơn chặng có thể đạt tới tổng khoảng cách truyền dẫn là 4km trong khi các hệ thống FSO đa chặng có thể đạt được khoảng cách xa hơn; 8,5 km trong trường hợp sử dụng 3 bộ chuyển tiếp Hình 3.5 so sánh BER với độ khuếch đại APD trung bình với Ps =... được truyền và tái tạo dữ liệu nhị phân bit ‘0’ hoặc bit ‘1’ Trong trường hợp chuyển tiếp, bit được gửi với năng lượng mới Pt tới bộ chuyển tiếp tiếp theo 3.2 Phân tích hiệu năng Trong phần này ta phát triển một mô hình toán học cho việc tính toán tỉ lệ lỗi bit (BER) của các hệ thống FSO đa chặng Công 18 thức xác định BER của các hệ thống FSO khác so với các hệ thống truyền thông đa chặng sử dụng sợi quang. .. truyền dẫn đa chặng, kết hợp với sử dụng phương pháp điều chế M-PPM và bộ thu APD Ngoài ra, công suất phát yêu cầu nhỏ hơn và đạt được khoảng cách truyền thông xa hơn, đặc biệt khi độ khuếch đại APD trung bình được chọn là tối ưu 26 KẾT LUẬN Trong luận văn này đã trình bày một cách khái quát về hệ thống quang không dây các ưu nhược điểm cũng như các thách thức của hệ thống quang không dây Các kỹ thuật. .. tiếp DF Trong hệ thống DF FSO, tại mỗi bộ chuyển tiếp trung gian, tín hiệu quang được thu và chuyển thành tín hiệu điện Sau đó, các bit tín hiệu điện được tách trước khi truyền đi Trong kỹ thuật DF, nhiễu tại mỗi chuyển tiếp được loại bỏ và không được truyền tới nút tiếp theo Tín hiệu được tái tạo lại không có nhiễu và phát đi với công suất trung bình bằng với công suất tại nút nguồn Hệ thống FSO đa chặng. .. chuyển tiếp tăng lên, tức là độ dài mỗi chặng giảm xuống Hình 3.6, ta thấy lợi thế của truyền dẫn đa chặng về tốc độ bit so với hệ thống đơn chặng Khi L =5 km, Ps = 0 dBm, và G = 20, hệ thống FSO đa chặng với 3 bộ chuyển tiếp có thể hỗ trợ tốc độ bit 6 Gbps tại BER = 10-6 Việc có thể hỗ trợ tốc độ bit cao làm cho hệ thống FSO đa chặng là giải pháp hứa hẹn cho hệ thống truy nhập băng rộng kế tiếp 3.5... PN+1 0 Hình 3.2: Mô hình đa chặng (nhị phân đối xứng) tương ứng với mô hình kênh 3.3 Các tham số hệ thống Trong phần này, nội dung nghiên cứu hiệu năng BER của hệ thống FSO đa chặng sử dụng 4-PPM và bộ thu APD Giả định rằng khoảng cách giữa các bộ chuyển tiếp là bằng nhau dọc theo tuyến đường từ nguồn tới đích Để có một so sánh công bằng cho hệ thống FSO đơn chặng thông thường sử dụng OOK, các phân tích . NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG MÃ SỐ: 60.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2014 Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng. văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: 15 giờ 30 ngày 09 tháng 08 năm 2014 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông. quang cao. Cự ly hoạt động của một tuyến FSO thường ngắn từ vài trăm mét tới vài km. Việc triển khai các hệ thống FSO đa chặng cũng giúp khắc phục khó khăn khi không có đường truyền LOS giữ máy