Đánh giá hiệu năng của hệ thống FSOOFDM

DANH MỤC HÌNH VẼHình 1.1 Mô hình tổng quát của hệ thống FSO Hình 1.2 Sơ đồ bộ thu, phát FSO Hình 1.3 Cấu trúc SLED Hình 1.4 Cấu trúc laser phát xạ cạnh Hình 1.5 Cấu trúc photodiode PIN H

KHOA VIỄN THÔNG 1

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài: “ Đánh giá hiệu năng của hệ thống

FSO-OFDM ”

Người hướng dẫn : THS NGÔ THỊ THU TRANG

Sinh viên thực hiện: TẠ VĂN BÁCH

Lớp : D10VT6 Khoá : 2010 - 2015

Hệ : ĐẠI HỌC CHÍNH QUY

Hà Nội, tháng 12/2014

NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ, CHO ĐIỂM

(Của Người hướng dẫn)

Điểm: ……….………(bằng chữ: … ……… ….)

Đồng ý/ Không đồng ý cho sinh viên bảo vệ trước hội đồng chấm đồ án tốt nghiệp?. …………, ngày…… Tháng…… năm 20……

CÁN BỘ- GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(Của Giáo viên phản biện)

Điểm: ……….………(bằng chữ: … ……… ….)

…………, ngày…… tháng…… năm 20……

GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

(ký, họ tên)

MỞ ĐẦU

Hiện nay, công nghệ không dây đã và đang là một phần không thể thiếu trong các hệ thống thông tin truyền thông Ở trong các hệ thống truyền dẫn không dây hiện tại thì công nghệ truyền dẫn vô

gặp phải những thách thức lớn Với những ưu điểm về độ rộng băngthông, không phải đăng ký dải phổ và sự linh hoạt khi lắp đặt triểnkhai, công nghệ truyền dẫn quang qua không gian tự do FSO (FreeSpace Optics) được dự đoán là sẽ phát triển mạnh mẽ trong tươnglai

Kỹ thuật OFDM – ghép kênh phân chia theo tần số trực giaođược đề cập đến với vai trò là công nghệ đang được sử dụng phổbiến trong hệ thống bởi khả năng hạn chế fading và nhiễu băng hẹp Chính vì những lý do trên, em thực hiện đồ án tốt nghiệp củamình vời đề tài : “Đánh giá hiệu năng của hệ thống FSO-OFDM” đểthấy được những ưu điểm cũng như nhược điểm của việc đưa kỹthuật OFDM vào trong hệ thống FSO

Bố cục của đồ án được chia thành 3 chương:

Chương I: Tổng quan về FSO

Chương II: Triển khai OFDM trong hệ thống FSO

Chương III: Đánh giá hiệu năng của hệ thống FSO-OFDM

Sau ba chương sẽ là kết luận khuyến nghị sau khi thực hiện đềtài

Do có sự hạn chế về thời gian và thực tiễn nên đề tài không thểtránh khỏi những thiếu sót Rất mong có sự góp ý của thầy cô và bạnđọc

Xin chân thành cảm ơn!

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của cô Ngô ThịThu Trang – Bộ môn Hệ thống và Tín hiệu – Khoa Viễn thông 1 – Học viện Côngnghệ Bưu chính Viễn thông

Trong suốt thời gian thực hiện đồ án, mặc dù rất bận rộn trong công việc nhưng

cô vẫn giành rất nhiều thời gian và tâm huyết trong việc hướng dẫn em.Cô đã cung cấpcho em rất nhiều tài liệu cũng như kiến thức về những lĩnh vực trong nội dung của đồ

án tốt nghiệp đại học Trong quá trình thực hiện đồ án cô luôn định hướng, góp ý vàsửa chữa những chỗ sai giúp em tránh được những lỗi diễn đạt, những hiểu lầm về nộidung

Cho đến hôm nay, luận văn tốt nghiệp của em đã được hoàn thành, cũng chính

là nhờ sự nhắc nhở, đôn đốc, sự giúp đỡ nhiệt tình của cô

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Viễn thông 1, cũng nhưcác thầy cô trong trường đã giảng dạy, giúp đỡ chúng em trong 4 năm học qua Chínhcác thầy cô đã xây dựng cho chúng em những kiến thức nền tảng và những kiến thứcchuyên môn để em có thể hoàn thành đồ án này cũng như những công việc của mìnhsau này

Và sau cùng, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới gia đình, người thân, bạn

bè đã cổ vũ động viên, tiếp cho em thêm nghị lực để hoàn thành đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình tổng quát của hệ thống FSO

Hình 1.2 Sơ đồ bộ thu, phát FSO

Hình 1.3 Cấu trúc SLED

Hình 1.4 Cấu trúc laser phát xạ cạnh

Hình 1.5 Cấu trúc photodiode PIN

Hình 1.6 Cấu trúc photodiode APD

Hình 1.7 Sự phân bố năng lượng điện trường trong các lớp bán dẫn Hình 1.8 Hiện tượng nghẽn cổ chai trong mạng

Hình 1.9 Những thách thức đối với FSO

Hình 2.1 Sử dụng 4 sóng mang con cho một ký hiệu OFDM

Hình 2.2 Nguyên lý điều chế đa sóng mang

Hình 2.3 Nguyên lý IM/DD

Hình 2.4 Đưa tín hiệu OFDM qua một kênh lựa chọn tần số

Hình 2.5 Cấu hình cơ bản của tín hiệu OFDM truyền qua liên kết FSO Hình 2.6 Biểu đồ của các mẫu nhiễu nền và nhiễu nhiệt ở máy thu

cùng cân bằng Gaussian

Hình 2.7 Sự phân kỳ chùm sáng

Hình 2.8 Kênh không khí với các xoáy lốc hỗn loạn

Hình 2.9 Sự thăng giáng cường độ

Hình 2.10 (a) Xung quang lan truyền qua môi trường nhiễu loạn khí quyển bị biếndạng; (b) Sự giãn xung làm tăng lỗi bit

Hình 3.1 Xác suất lỗi trong các điều kiện thời tiết khác nhau

Hình 3.2 BEP cho QPSK, 16-QAM, 64-QAM với công suất quang thu được

Hình 3.3 BER và SNR với điều chế pha số M-PSK

Hình 3.4 Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống FSO - OFDM

Hình 3.5 30 ký hiệu đầu tiên của bản tin

Hình 3.6 Phần thực và phần ảo tín hiệu sau khi đi qua khối IFFT

Hình 3.7 Tin hieu sau khi chen CP

Hình 3.8 Tín hiệu được tách ra nửa khung âm và nửa khung dương

Hình 3.9 Nửa khung dương được truyền trước nửa khung âm trên đường truyền

Hình 3.10 Biểu đồ mối quan hệ giữa SNR và BER

Hình 3.11 Chòm sao tín hiệu với SNR = 20 dB

Bảng 3.1 Bảng tham chiếu giữa các điều kiện thời tiết tới tầm nhìn,

suy hao và khoảng cách truyền dẫn

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết

APD Avalanche Photodiode Photodiode quang thác AWGN Additive White Gaussian

BEP Bit Error Probability Xác suất bit lỗi

Reflector

Laser phân bố phản xạ Bragg

DSL Digital Subcriber Line Đường dây thuê bao số E/O Electrical/ Optical Điện/ Quang

EDFA Erbium Doped Fiber

Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi pha Erbium FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

FSO Free Space Optics Truyền quang qua không

gian tự do FWHM Full Width at Half

Maximum Độ rộng toàn phần ở nửa cực đại IFFT Inverse Fast Fourier

Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược IM/DD Intensity Modulation/

Direct Detection

Điều chế cường độ/ Tách sóng trực tiếp

IMD Inter-Modulation

Radiation LED Light Emitting Diode Diode phát xạ ánh sáng

Distribution Service Dịch vụ phân phối đa điểm cục bộ

Network

Mạng đô thị

MTBF Mean Time Between

Failures Thời gian trung bình giữa các lần lỗi OMI Optical Modulation Index Chỉ số điều chế quang OFDM Orthogonal Frequency

Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

Function

Hàm mật độ xác suất

PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha

Modulation Điều chế biên độ cầu phương

SI Scintillation Index Chỉ số lấp lánh

VCSEL Vertical-cavity

surface-emitting laser Laser phát xạ mặt khoang cộng hưởng dọc

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo bước sóng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG FSO

1.1 Cở sở ra đời của hệ thống FSO

Truyền quang qua không gian tự do (FSO) hay giao tiếp quangkhông dây được giới thiệu lần đầu bởi Alexander Graham Bell ở cuốithế kỷ 19 Thí nghiệm FSO của Bell đó là ông đã chuyển đổi tín hiệu

âm thanh (giọng nói) thành tín hiệu điện thoại và phát chúng giữacác bộ thu phát qua không gian tự do dọc theo một luồng sáng trongkhoảng cách khoảng 183m Thiết bị thí nghiệm của ông được gọi là

“photophone”, Bell coi trọng công nghệ quang này hơn là điện thoại– phát minh vĩ đại của ông vì công nghệ này không cần đến dây dẫncho việc truyền tín hiệu

Mặc dù photophone của Bell không bao giờ được đưa vàothương mại hóa nhưng nó đã giải thích các đặc tính cơ bản củatruyền thông quang không dây Sau này, vào thời gian đầu, các côngnghệ FSO xuất hiện lần đầu tiên vào những năm 1960 trong các dự

án liên quan đến quan sự và không gian (NASA) Đến cuối nhữngnăm 1980, những sản phẩm thương mại đã xuất hiện nhưng khôngthành công vì những rào cản công nghệ Cự lý ngắn, dung lượngthấp, vấn đề về giữ thẳng hàng giữa bộ phát và bộ thu cũng nhưnhững thách thức về thời tiết, môi trường truyền dẫn là những hạnchế chính của hệ thống FSO vào thời điểm đó

1.2 Hệ thống FSO

Hình 1.1 Mô hình tổng quát của hệ thống FSO

1.2.1 Bộ phát

Trong các hệ thống FSO hiện đại, có rất nhiều kiểu nguồnquang khác nhau được sử dụng cho việc truyền dẫn dữ liệu Ta sẽchủ tập trung vào các nguồn quang chế tạo bởi vật liệu bán dẫn bởi

vì đây là loại nguồn truyền dẫn chủ yếu trong các hệ thống FSOthương mại hiện nay Những điểm khác biệt chủ yếu giữa các nguồntruyền dẫn này đó là chất bán dẫn được sử dụng Giá thành của một

bộ phát quang có công suất lớn và tốc độ điều chế cao có thể từ vàichục đô la tới vài nghìn đô la Việc sử dụng các nguồn quang cụ thểphụ thuộc vào các ứng dụng cụ thể

Hình 1.2 Sơ đồ bộ thu, phát FSO 1.2.1.a LED

LED là dịch phát quang hoạt động dựa trên nguyên lý phát xạ

tự phát Do đặc tính công suất truyền dẫn tương đối thấp nên LEDthường được sử dụng trong các ứng dụng ở khoảng cách ngắn vớiyêu cầu băng thông trung bình dưới 155Mbps Phụ thuộc vào vật liệuchế tạo, LED có thể hoạt động ở các khoảng bước sóng khác nhau.Khi so sánh với các nguồn truyền dẫn laser độ rộng phổ, LED có phổhoạt động rộng hơn rất nhiều Độ rộng phổ phát xạ toàn phần ở nửađỉnh FWHM (Full width at half maximum) là từ 20 – 100nm xungquanh độ dài bước sóng trung tâm Các LED hồng ngoại cũng được

sử dụng làm các nguồn truyền dẫn trong các hệ thống điều khiển từ

xa Ưu điểm của LED đó là thời gian sử dụng lâu và giá thành rẻ

Bảng 1.1 Mối liên hệ giữa vật liệu chế tạo và bước sóng hoạt động

của LED

Vật liệu Dải bước sóng (µm)

GaInP 0,64 – 0,68 AlGaAs 0,8 – 0,9 InGaAs 1,0 – 1,3 InGaAsP 0,9 – 1,7Bảng 1.1 đưa ra danh sách hệ thống các loại vật liệu bán dẫncùng khoảng độ dải bước sóng hoạt động tương ứng Với các ứngdụng FSO thì LED được chế tạo từ AlGaAs được ưa dùng vì bước sóngphát xạ rơi vào khoảng 850nm Ở dải bước sóng 850nm thì độ rộngphổ phát xạ toàn phần ở nửa đỉnh (FWHM) thông thường của mộtLED là 20 – 50nm.

Băng thông điều chế của LED thường vào khoảng giữa 1MHz và100MHz LED được sử dụng trong các ứng dụng có yêu cầu băngthông điều chế cao hơn thì không thể có mức công suất phát xạ cao.Một LED có công suất phát 1mW được coi là có công suất lớn nếu nóhoạt động ở tốc độ điều chế cao

Hình 1.3 Cấu trúc SLED

Sau một thời gian, hoạt động công suất của LED tại một giá trịdòng điều khiển không đổi sẽ giảm Vấn đề này liên quan đến tuổithọ của LED Tuy nhiên, tuổi thọ của LED (khoảng thời gian tính tớilúc công suất giảm một nửa so với giá trị ban đầu) khá là dài (105 giờ

thành hợp lý Hầu hết các loại laser này cũng được sử dụng trongcông nghệ sợi quang nên tính khả thi không phải là vấn đề

Theo góc nhìn thiết kế bán dẫn thì hiện nay cũng có hai loạicấu trúc laser khác nhau: laser phát xạ cạnh và laser phát xạ mặt.Với cấu trúc phát xạ cạnh, ánh sáng dời khỏi thông qua một cửa sổnhỏ của lớp tích cực và song song với cấu trúc lớp Trong khi đó vớicấu trúc phát xạ mặt thì lại phát xạ qua một cửa sổ nhỏ vuông gócvới cấu trúc lớp Cả hai cấu trúc này đều có những ưu điểm và nhượcđiểm khi xét tới các yếu tố như mức công suất đầu ra, hay sản xuấtquy mô lớn

Có rất nhiều loại laser và cách chế tạo khoang laser Mục đíchcủa khoang đó là giam ánh sáng và tạo ra điều kiện cộng hưởng chocác bước sóng cụ thể

Một thiết kế laser diode thường thấy đó là sử dụng khoangcộng hưởng Fabry-Perot Trong thiết kế này, ánh sáng được giam hãmtrong lớp tích cực bằng cách sử dụng các vật liệu bán dẫn (Al, Ga vàAs) là những vật liệu khá giống nhau nhưng có chiết suất khác nhau

Sử dụng AlGaAs, chiết suất có thể thay đổi bằng việc thay đổi nhỏ tỷ

lệ các thành phần vật liệu Hệ số phản xạ cao nên một gương gầnnhư phản xạ hoàn toàn ánh sáng trong khi mặt gương còn lại thìtrong suốt không đáng kể Trong trường hợp này, một phần nhỏ củatia sáng sẽ thoát khỏi khoang, đó là ánh sáng phát xạ của laser

Hình 1.4 Cấu trúc laser phát xạ cạnh

Một sự cải tiến tới hiệu năng laser đó là laser phân bố hồi tiếpDFB (Distributed feedback laser) DFB phát ra ánh sáng có phổ hẹp,gần như là một bước sóng đơn (< 0,1nm) Laser DFB có giá thànhđắt (đắt hơn 1.000 lần so với laser Fabry-Perot cơ bản) và yêu cầuphải có hệ thống làm mát nhiệt điện nhưng mang lại hiệu năng cao

Laser phân bố phản xạ Bragg DBR (Distributed Bragg Reflector)

có thể được sử dụng để cung cấp khả năng điều hưởng tới bước sóngđầu ra Mặc dù có giá thành đắt, laser DBR vẫn có thể được sử dụng

để điều chỉnh độ dài bước sóng laser cho các điều kiện thời tiết cụthể

Một lựa chọn phổ biến hiện nay trong các thiết bị FSO là laserphát xạ mặt khoang cộng hưởng dọc VCSEL (Vertical-cavity surface-emitting laser) VCSEL có những ưu điểm như là công suất tiêu thụthấp, ít tạo ra nhiệt, giá thành rẻ và có độ rộng băng thông cao (lêntới 5GHz)

1.2.1.c Những yêu cầu khi lựa chọn laser cho FSO

Việc chọn nguồn laser cho các ứng dụng FSO phụ thuộc vàonhiều yếu tố khác nhau Điều quan trọng là độ dài bước sóng truyềndẫn phải phù hợp với một trong các cửa sổ quang truyền dẫn trongkhông khí Các cửa sổ không khí thích hợp là các dải 850nm và1550nm Các yếu tố khác cần quan tâm khi lựa chọn một nguồnsáng cụ thể là:

• Giá thành và tính sẵn có của các thiết bị thương mại

• Công suất truyền dẫn

hệ thống vật liệu cụ thể mà có thể hoạt động ở các dải bước sóngkhác nhau

1.2.2.a Photodiode PIN

Photodiode PIN khắc phục được vấn đề về độ nhạy kém và thờigian tăng tốc chậm của photodiode P-N thông thường Đây là bộ thuquang được sử dụng phổ biến nhất trong các thiết bị FSO

Cấu tạo của diode PIN gồm ba lớp bán dẫn, trong đó lớp I(Intrinsic) là lớp bán dẫn không pha tạp chất hoặc pha tạp chất rất ítnên không có điện tử tự do do đó nên có điện trở rất lớn Và lớp nàynằm giữa hai lớp P và N Lớp I đóng vai trò giống vùng nghèo trongtiếp giáp P-N nhưng có chiều dài lớn hơn nhằm tăng hiệu suất hấpthụ photon tới

Hình 1.5 Cấu trúc photodiode PIN

Bởi vì lớp I rất rộng nên xác suất tiếp nhận photon ở lớp nàycao hơn và do đó quá trình hấp thụ photon ở lớp này nhiều hơn sovới hai lớp P và N Như vậy khi lớp I càng dày thì hiệu suất lượng tửcàng cao Tuy nhiên khi đó thời gian trôi của điện tử lớn nên làmgiảm khả năng hoạt động tốc độ cao của PIN Khả năng thâm nhậpánh sáng phụ thuộc vào bề dày lớp P Ánh sáng có bước sóng càngdài càng dễ thâm nhập vào bán dẫn

1.2.2.b Photodiode quang thác APD (Avalance Photodiode)

APD là bộ tách sóng quang bán dẫn, có độ lợi nội (internal gain)nên dòng tách quang được khuếch đại và độ lợi nội này làm tăng đápứng so với photodiode PN hay photodiode PIN

Người ta chế tạo APD gồm bốn lớp: P+ π P N+

Hình 1.6 Cấu trúc photodiode APD

• P+ N+ là hai lớp bán dẫn có nồng độ tạp chất cao, nên điện trởcủa hai vùng này nhỏ, do đó điện áp phân bố trên chúng rấtnhỏ

• π là vùng có nồng độ tạp chất rất ít và gần như tinh khiết Nógiống như lớp I của PIN Hầu như tất cả các photon bị hấp thutrong vùng này, và tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống tự do

Sự nhân dòng theo cơ chế thác lũ diễn ra như sau:

• Dưới tác dụng của dòng phân cực ngược, sự phân bố cườngđiện trường trong các lớp bán dẫn được mô tả như ở hình 1.8.Trong đó trường vùng tiếp giáp PN+ cao nhất, quá trình nhân

điện tử xảy ra ở vùng này Vùng này còn được gọi là vùng tháclũ.

Hình 1.7 Sự phân bố năng lượng điện trường trong các lớp bán dẫn

• Khi có ánh sáng chiếu vào, các photon bị hấp thụ trong lớp π,tạo ra các cặp e – p (electron – lỗ trống) Dưới sự định hướngcủa điện trường ngoài, các lỗ trống di chuyển về phía P+(nối vớicực âm của nguồn) còn các điện tử di chuyển về phía tiếp giáp

PN+ Điện trường cao trong vùng tiếp giáp PN+ sẽ tăng tốc chođiện tử Khi những điện tử này đập vào các nguyên tử tinh thểbán dẫn tạo ra thêm các cặp điện tử - lỗ trống mới Những hạtmang điện mới được gọi là những hạt mang điện thứ cấp.Những hạt mang điện thứ cấp này bản thân nó được tăng tốcvào tạo ra nhiều hạt mang điện thứ cấp khác Quá trình cứ tiếpdiễn và số lượng hạt mang điện được tạo ra rất nhiều Quá trìnhnày được gọi là quá trình nhân thác lũ Nhờ quá trình nhân này

mà dòng tách quang của APD sẽ lớn hơn so với dòng táchquang của PIN

1.2.2.c Những tiêu chuẩn khi lựa chọn bộ thu cho FSO

Tương tự như các nguồn sáng, lựa chọn một bộ thu tách quangvới loại vật liệu cụ thể phụ thuộc vào mục đích sử dụng Độ nhạyphải phù hợp với độ dài bước sóng truyền của máy phát

Với các ứng dụng sử dụng bước sóng ngắn hơn ở trong dải cửa

sổ bước sóng 850nm, các bộ thu quang silicon là lựa chọn tốt nhất

Bộ thu PIN thích hợp cho các ứng dụng ở khoảng cách ngắn và côngsuất của bộ phát phải đủ lớn APD thì thích hợp cho các ứng dụng ởkhoảng cách lớn Độ nhạy cao của cấu trúc APD cho phép mở rộngkhoảng cách truyền dẫn Tuy nhiên, APD yêu cầu điện áp ổn định vàđắt hơn PIN Ngoài ra, dòng tối thông thường của APD cao hơn khi sosánh với PIN

Bộ thu làm từ silicon có bước sóng cắt là 1,1µm Vì vậy, siliconkhông thể được sử dụng trong các ứng dụng với bước sóng dài Vớidải bước sóng 1550nm, InGaAs là lựa chọn phù hợp Độ nhạy của các

hệ thống sử dụng InGaAs có thể lên tới 0,9A/W ở xung quanh1550nm Diode PIN InGaAs hiện nay được sử dụng rộng rãi trongthương mại Các diode này có các đặc tính điều chế rất tốt và có thểhoạt động ở tốc độ cao (10Gbps và cao hơn)

1.2.3 Bước sóng sử dụng

Một cách tổng quát, tất cả các hệ thống FSO thương mại hiện nayđều hoạt động ở gần dải bước sóng hồng ngoại là từ 750nm đến1600nm do ít bị hấp thụ từ khí quyển khi so sánh với các dải bướcsóng khác, chỉ có một vài hệ thống đang được phát triển để hoạtđộng ở bước sóng 10.000nm

780 – 850nm

Mỗi bước sóng có giá trị suy hao khi truyền qua không gian tự

do khác nhau Dải bước sóng 780 – 850nm bị hấp thụ khá mạnh mẽ.Một số nhà sản xuất đã có các nguồn laser công suất cao cho dảibước sóng này Đối với bước sóng 850nm, đã có rất nhiều thành phầnphát và thu tin cậy, giá thành rẻ và hiệu năng cao đang sử dụngbước sóng này và đang được dùng rộng rãi trong các thiết bị

1520 – 1600nm

Dải bước sóng này rất thích hợp cho truyền dẫn trong khônggian tự do vì ít bị ảnh hưởng bởi sự hỗn loạn của khí quyển hơn sovới dải bước sóng 780 – 850nm Đồng thời, thực tế đã sản xuất đượccác thiết bị phát và thu chất lượng cao cho dải bước sóng này Sự kếthợp giữa ưu điểm của suy hao thấp và tính sẵn có của sản phẩm đãmang tới tính khả thi cho các hệ thống FSO ghép kênh phân chiatheo bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing) Hơn nữa,các bước sóng này cũng được sử dụng trong các hệ thống sử dụngsợi quang và các công ty đang cố gắng để giảm giá thành và tănghiệu năng của các thiết bị sử dụng dải bước sóng 1520 – 1600nm.Thêm vào đó, dải bước sóng này thích hợp với bộ khuếch đại pha sợi(EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier) Đây là thiết bị khuếch đại rấtquan trọng cho các hệ thống yêu cầu công suất cao (>500mW) vàtốc độ dữ liệu lớn (>2,5Gbit/s) Cuối cùng, có thể truyền với côngsuất mạnh hơn 5 – 65 lần ở dải bước sóng 1520 – 1600nm so với dảibước sóng 780 – 850nm mà vẫn đảm bảo an toàn cho mắt do sựtruyền dẫn chậm của mắt người ở dải bước sóng này

10.000nm (10µm)

Bước sóng này còn khá mới trong thị trường FSO và đang đượcphát triển vì khả năng truyền tốt trong sương mù

1.2.4 Kênh truyền

Môi trường truyền dẫn của hệ thống FSO là không gian tự do,

là môi trường đầy có tính ổn định kém do chịu ảnh hưởng mạnh mẽ

từ các yếu tố môi trường như sương mù, mưa và nhiễu từ ánh sángbên ngoài …

Tuyến FSO bao hàm sự truyền, hấp thụ và tán xạ ánh sáng bởi khí quyển tráiđất Khí quyển tương tác với ánh sáng phụ thuộc vào thành phần không khí, trong điềukiện bình thường, bao gồm nhiều loại phân tử khí và các hạt lơ lửng khác nhau

Có những vùng bước sóng mà sự truyền gần như trong suốt (không có hấp thụ) gọi làcửa sổ tần số

Sự thay đổi tính chất của không khí gây ra sự biến thiên cường độ tín hiệu theo khônggian và thời gian ở đầu thu

1.3 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống FSO

Hiện nay các nhà cung cấp dịch vụ không ngừng đưa ra cácứng dụng nên nhu cầu về dịch vụ băng thông rộng ở trong các mạng

đô thị là rất lớn Tuy nhiên, sự chênh lệch về tốc độ truyền dẫn giữamạng lõi và mạng truy nhập đã tạo ra một sự mất cân 16bằng Sựmất cân bằng này thường được gọi là “nghẽn cổ chai” Hiện tượng

“nghẽn cổ chai” xuất hiện ở khắp nơi trong các mạng đô thị hiện nay.Các nhà cung cấp dịch vụ đang đối mặt với sự cần thiết phải thay đổinhanh chóng và hiệu quả ở cùng một thời gian khi mà vốn đầu tư bịhạn chế Về mặt công nghệ, đã có rất nhiều giải pháp cho vấn đềnày nhưng hầu hết đều chưa đạt được hiệu quả về giá trị kinh tế

Đầu tiên, lựa chọn hiển nhiên nhất để tăng dung lượng chomang truy nhập đó là sử dụng cáp sợi quang Cáp sợi quang chính làgiải pháp tin cậy nhất của truyền thông quang Nhưng thời gian lắpđặt và chi phí chính là cản trở của phương pháp này khi tính đến mặtkinh tế Hơn nữa, một khi đã lắp đặt sợi quang thì nó sẽ trở thànhmột “giá trị cố định” và không thể bố trí lại nếu khách hàng chuyểnsang một nhà cung cấp dịch vụ mới, khiến cho rất khó có thể khôiphục lại giá trị đầu tư trong một khung thời gian hợp lý

Hình 1.8 Hiện tượng nghẽn cổ chai trong mạng

Một lựa chọn khác đó là công nghệ không dây sử dụngtần số vô tuyến RF (Radio Frequency) Công nghệ này cho phéptruyền đi trong khoảng cách xa hơn FSO, nhưng các mạng mà dựatrên RF yêu cầu sự đầu tư lớn khi phải đăng ký dải phổ Hơn nữa, cáccông nghệ RF gặp phải khó khăn khi muốn mở rộng lên dung lượngcao Khi so sánh với FSO, RF không đảm bảo hiệu quả kinh tế cho cácnhà cung cấp dịch vụ đang trông đợi vào sự mở rộng dung lượng củacác mạng quang

Lựa chọn thứ ba đó là công nghệ dựa trên dây cáp đồng (nhưEthernet, T1s hay DSL) Mặc dù hạ tầng cáp đồng có mặt ở khắp nơi

và số các tòa nhà sử dụng cáp đồng là cao hơn sợi quang nhưng đâyvẫn không phải là một giải pháp thỏa đáng trong việc giải quyết hiệntượng nghẽn cổ chai do trở ngại lớn nhất chính là độ rộng băngthông Công nghệ cáp đồng có thể giải quyết một số vấn đề ngắnhạn, nhưng hạn chế về băng thông chỉ ở mức 2Mbit – 3Mbit/s khiếncho công nghệ này chỉ là một giải pháp tạm thời

Giải pháp thứ tư và thích hợp nhất chính là FSO Công nghệ này

là một giải pháp tối ưu nhờ những ưu điểm của công nghệ quang như

độ rộng băng thông, tốc độ triển khai (vài giờ so với vài tuần hoặcvài tháng), độ mềm dẻo (có thể tái triển khai và chuyển dịch), hiệuquả kinh tế cao (trung bình chi phí lắp đặt chỉ bằng 1/5 so với lắp đặtcáp quang) Với các nhà cung cấp mạng đô thị MAN (MetropolitanArea Network) thì vấn đề “dặm cuối” (last mile) đang làm nản chícác nhà cung cấp trong các dịch vụ băng thông rộng FSO có thể giảiquyết vấn đề này và cho phép các khách hàng mới có thể truy nhậpvào mạng MAN tốc độ cao

Bảng 1.2 Bảng so sánh FSO và một số công nghệ khác

UTP

(CAT-5)

Cáp đồng

Sóng viba

Vệ tinh

275Mb ps

90Mbp s

100Mb ps-

Đa dạng

phí Ít nhất Trung bình Trung bình

Trung bình (không tính giá vệ tinh)

Điểm–

điểm, khoảng cách ngắn

Điểm – điểm, khoản

g cách dài

Điểm–

điểm Giữa các

tòa nhà, khoản

g cách ngắn

Tốc độ Tốc độ,

tính di động cao

Bảo mật, dung lượng lớn, không chịu ảnh hưởng nhiễu điện từ (EMI)

Giá cả, hiệu năng

Có thể bị

chặn

độ bảo trì cao hơn

Yêu cầu đăng ký sóng từ FCC

Ít sử dụng cho các mạng cá nhân

Chưa

có giới hạn về dung lượng

Công nghệ mới

Các lợi thế và thách thức của hệ thống FSO

Các lợi thế của FSO:

 Không yêu cầu cấp phép phổ tần vô tuyến

 Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ

 Dễ dàng triển khai lắp đặt

 Khả năng an toàn cao

Công nghệ FSO có thể đáp ứng rất nhiều ưu điểm, khi so sánhvới công nghệ cáp sợi Các hệ thống FSO có thể được triển khainhanh hơn nhiều mà không cần sự cấp phép Nó có thể được triểnkhai với rất nhiều các kiến trúc mạng, được lắp đặt từ nóc nhà tớinóc nhà, cửa sổ tới cửa sổ hoặc tùy theo yêu cầu

Các thách thức đối với hệ thống FSO:

Giới hạn cơ bản của FSO 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 khôngkhí Những thách thức chính trong việc thiết kế các hệ thống FSOnhư hình 1.9:

Hình 1.9 Những thách thức đối với FSO

 Sương mù: Sương mù là một thách thức chính Sương mù là hơinước được tập hợp từ những giọt nước nhỏ có đường kính vàitrăm micro mét nhưng có thể làm thay đổi đặc tính truyền lancủa ánh sáng hoặc ngăn cản hoàn toàn sự truyền lan của ánhsáng thông qua sự kết hợp của các hiện tượng hấp thụ, tán xạ

và phản xạ

 Sự nhấp nháy: Sự nhấp nháy là sự biến đổi về không gian của

cường độ sáng gây ra bởi sự hỗn loạn không khí

 Sự trôi búp: Sự trôi búp xảy ra khi luồng gió hỗn loạn (gió xoáy)

lớn hơn đường kính của búp sóng quang gây ra sự dịch chuyểnchậm nhưng đáng kể của búp sóng quang Sự trôi búp cũng cóthể là kết quả của các hoạt động địa chấn gây ra sự dịchchuyển tương đối giữa vị trí của laser phát và bộ thu quang

 Giữ thẳng hướng phát-thu khi tòa nhà dao động: Giữ thẳnghướng giữa khối phát và khối thu là rất quan trọng nhằm đảmbảo sự thành công của việc truyền tín hiệu

 Sự an toàn cho mắt: Với sự gia tăng của các hệ thống truyềnthông quang vô tuyến sử dụng các búp laser hướng về cácvùng dân cư mật độ cao, sự an toàn cho mắt là vấn đề đángđược quan tâm

1.4 Ứng dụng của công nghệ FSO

Kết nối tốc độ cao giữa các tòa nhà với FSO Hiện nay, cácdoanh nghiệp đang gặp phải vấn đề quá tải lưu lượng mạng tại cáckết nối giữa các tòa nhà Với các doanh nghiệp sử dụng các mạng nội

bộ dựa trên tiêu chuẩn Gigabit Ethernet, các kết nối 2.048 (hoặc

1.544) Mbit/s giữa các tòa nhà sẽ làm hạn chế lưu lượng kết nối:

cá nhân nào đó có thể thu trộm thông tin mà không bị phát hiện

CHƯƠNG 2: TRIỂN KHAI OFDM TRONG HỆ THỐNG FSO

2.1 Giới thiệu

Quá trình truyền sóng quang qua khí quyển phải chịu ảnhhưởng suy hao và sự dao động cường độ làm giảm hiệu năng của hệthống FSO ở gần mặt đất cho kể cả khi truyền ở khoảng cách ngắn.Suy hao thường được cố định qua những khoảng thời gian tương đốidài và vì thế có thể dự đoán hay đo được Mặt khác, những sự daođộng cường độ thường là ngẫu nhiên và xảy ra chỉ trong vài msnhững vẫn gây ra kênh fading chậm Vì thế việc cần thiết là phải môhình hóa một kênh fading sử dụng các mô hình thống kê được Ởtrong chương 2 này, ta sẽ tìm hiểu về một mô hình kênh hệ thốngFSO sử dụng công nghệ OFDM

2.2 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao – OFDM

Kỹ thuật OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương phápđiều chế đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ trực giao vớinhau, nhờ vậy phổ tính hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồnglấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu

Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sửdụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường

Kỹ thuật điều chế OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở

Mỹ Trong những thập kỷ vừa qua, nhiều công trình khoa học về kỹthuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới Đặc biệt làcông trình khoa học của Weistein và Ebert đã chứng minh rằng phépđiều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua phép biến đổi IDFT

và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biếnđổi DFT Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làmcho kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng trở nên rộng rãi Thay vì

sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho

bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM

Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn hiện tượng giao thoa giữacác kí hiệu (ISI) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval lenght) lớnhơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh

Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng, do ảnhhưởng của sự phân tập về tần số đối với chất lượng của hệ thốngđược giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang

Nguyên lý OFDM

Ở dạng tổng quát ta có thể trình bày tín hiệu OFDM băng tầngốc trong dạng một tập N sóng mang con được điều chế và đượctruyền đi song song như sau:

Hình 2.1 Sử dụng 4 sóng mang con cho một ký hiệu OFDM

Từ hình vẽ trên ta thấy, để đảm bảo điều kiện trực giao, cácsóng mang con có số chu kỳ trong một ký hiệu OFDM (T) là một sốnguyên Trong miền tần số, mỗi sóng mang con của một ký hiệuOFDM có mật độ phổ công suất dạng sinx/x với

(2-5)

Giá trị cực đại các búp chính của mật độ phổ công suất củamột sóng mang xảy ra tại các tần số f=i/T Tại đây, mật độ phổ côngsuất của các sóng mang khác đều bằng không

Nhờ tính trực giao, ở phía thu ta có thể giải điều chế để tìm lại kýhiệu theo quan hệ sau:

(2-6)

Nếu ta ký hiệu là ký hiệu OFDM trong thời điểm truyền thứ k, thì ta

có thể viết lại công thức trên như sau:

(2-7) Các ký hiệu OFDM chỉ được tạo ra bằng xử lý số do rất khótạo ra các tập bộ tạo sóng khóa pha và các máy thu trong miềntương tự Để xử lý số ta lấy mẫu ký hiệu OFDM băng gốc bằng tần sốlấy mẫu N lần lớn hơn 1/T, khi đó ta có thể biểu diễn ký hiệu OFDMthứ k như sau:

(2-8)

Trong đó IDFT là biến đổi Fourrier rời rạc ngược Biến đổiFourrier nhanh đảo IFFT thực hiện chức năng giông như IDFT nhưnghiệu suất hơn về mặt tính toán nên thường được sử dụng trong thựctiễn

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là mộttrong những kỹ thuật phổ biến nhất cho các hệ thống truyền thôngkhông dây nhờ khả năng hạn chế fading lựa chọn tần số và nhiễubăng hẹp Nhờ những ưu điểm như vậy nên OFDM đã được ứng dụngtrong một số tiêu chuẩn truyền thông số tốc độ cao như công nghệtruyền hình số mặt đất, IEEE802.11 mạng khu vực cục bộ (LAN) vàtiêu chuẩn IEEE802.16 OFDM cũng đang được xem như là công nghệtiềm năng cho các hệ thống di động không dây thế hệ tiếp theo

Quá trình truyền dẫn của các tín hiệu OFDM qua liên kết quang

có thể được xem như trường hợp đặc biệt của kỹ thuật điều chế sóngmang phụ SCM (Sub-carrier Multiplexed) – là các luồng bit độc lậpđược điều chế vào các sóng mang phụ có tần số khác nhau rồi sau

đó được ghép vào trong miền tần số rồi truyền qua liên kết quangnhư ở hình 2.2 Tín hiệu SCM bị méo rất ít nên không cần bộ cânbằng ở cuối máy thu, và mỗi sóng mang phụ được coi như một tínhiệu băng hẹp riêng biệt với tốc độ ký hiệu thấp hơn

Hình 2.2 Nguyên lý điều chế đa sóng mang

2.3 Nguyên lý IM/DD

Cách đơn giản nhất để truyền các tín hiệu RF và tín hiệu SCMqua liên kết quang đó là sử dụng phương pháp điều chế cường độ -tách sóng trực tiếp IM/DD (Intensity Modulation – Direct Detection).Trong cơ chế này, tín hiệu RF đã được điều chế dữ liệu băng gốc được

sử dụng trực tiếp để điều khiển laser diode ở trong phía máy phátquang Ở phía thu, tín hiệu quang được biến đổi về tín hiệu điện nhờphotodetector (PD) Hình 2.2 đưa ra nguyên lý của điều chế cường độ

IM ở laser diode và tách sóng trực tiếp DD ở photodetector

Hình 2.3 Nguyên lý IM/DD

Tín hiệu OFDM băng gốc là tín hiệu phức và lưỡng cực, trongkhi trong liên kết quang IM/DD thì cần tới tín hiệu RF dương và có giátrị thực để điều khiển laser diode Vì thế, để tạo ra tín hiệu OFDMthực, đối xứng Hermit có thể được áp dụng ở vector đầu vào khốibiến đổi Fourier nhanh ngược IFFT (Inverse Fast Fourier Transform)trong khi đó để đưa tín hiệu OFDM thành tín hiệu đơn cực, một điện

áp một chiều được đưa vào và tạo nên tín hiệu dương Điện áp một

chiều này phải đủ lớn để không bị cắt và méo trong miền quang Mộtcách tổng quát, các nhược điểm chính của các hệ thống điều chếsóng mang phụ IM/DD là công suất quang trung bình không cao dođiện áp một chiều đưa vào lớn cùng với việc bị méo do laser diode vàkênh quang phi tuyến Điều này đặc biệt nghiêm trọng cho IM/DDDC-OFDM khi mà các sóng mang phụ tạo ra tỉ lệ công suất trungbình đỉnh PAPR (peak-to-average power ratio) Hơn thế nữa, tính phituyến của laser diode làm xuất hiện nhiễu giữa các sóng mang phụ

và sự mở rộng của phổ tín hiệu tổng nên rất cần đưa ra các yêu cầuchặt chẽ về tính tuyến tính của các thiết bị quang để tránh méo vàduy trì hiệu năng

2.4 Tạo tín hiệu OFDM trong hệ thống FSO

OFDM là một dạng truyền dẫn đa sóng mang trong đó cácluồng dữ liệu tốc độ cao được chia thành các luồng dữ liệu có tốc độthấp hơn rồi truyền đồng thời qua các sóng mang phụ băng hẹp Cácsóng mang phụ có thể được điều chế bằng PSK hay QAM và sau đóđược mang trên một sóng mang tần số cao OFDM có thể được địnhnghĩa một cách đơn giản như là một dạng của điều chế đa sóngmang trong đó khoảng cách giữa các sóng mang được lựa chọn saocho mỗi sóng mang phụ là trực giao với các sóng mang phụ khác và

có thể được tách ra ở phía thu bằng các kỹ thuật tương quan Vì thế,nhiễu liên ký hiệu giữa các kênh có thể bị loại bỏ

Tín hiệu OFDM có ưu điểm đó là có đáp ứng fading lựa chọn tần

số Đặt các sóng mang phụ ở các tần số f n = nB/N = n/T s , trong đó n

là một số nguyên, T s là khoảng thời gian của ký hiệu sóng mang phụ

và B là tổng băng thông cho phép Ở hình 2.3, các sóng mang phụ

có độ lợi kênh khác nhau và có thể được giảm nhẹ thông qua việc sửdụng nhiều sóng mang phụ băng hẹp Thật vậy, chỉ một vài sóngmang phụ bị ảnh hưởng và vì thế, thay vì mất toàn bộ ký hiệu thì chỉ

có một tập nhỏ của 1/N bit bị mất Để có được khả năng chống lỗibùng phát, các hệ thống OFDM sử dụng kỹ thuật mã hóa và chèn sửalỗi trước FEC (Forward Error Correction) Các hệ thống OFDM như vậyđược gọi là OFDM được mã hóa (Coded OFDM)

Hình 2.4 Đưa tín hiệu OFDM qua một kênh lựa chọn tần số

Tín hiệu OFDM cho N sóng mang phụ sau khi biến đổi đến tần

số phục vụ không dây f c được cho như sau:

(2-9)

Trong đó là tập hợp tần số các sóng mang trực giao

T s là chu kì ký hiệu OFDM

là ký hiệu dữ liệu phức ở sóng mang phụ thứ n, với

an và bn lần lượt là các ký hiệu điều chế cùng pha vàvuông pha

Dữ liệu ban đầu được ánh xạ bởi các dạng đều chế khác nhau(QPSK, 16QAM, 64QAM) phụ thuộc vào tốc độ dữ liệu Mỗi ký hiệu Xn

được điều chế biên độ trên các sóng mang phụ trực giao Quá trình

này diễn ra với việc sử dụng IFFT để đảm bảo rằng tất cả N sóng

mang phụ là trực giao với nhau qua khoảng trống ký hiệu Khoảngcách giữa các sóng mang phụ làm cho chúng trực giao qua mỗi chu

kỳ ký hiệu, đặc tính này được miêu tả bởi phương trình:

(2-10)

Với (•)* là toán tử liên hợp phức và là delta Kronecker

Để tránh nhiễu liên ký tự trong các kênh fading đa đường, mộtkhoảng bảo vệ độ dài Tg được chèn vào trước khối OFDM Trong suốtkhoảng thời gian bảo vệ này, một tiền tố tuần hoàn CP (Cyclic Prefix)được truyền sao cho tín hiệu trong khoảng

bằng với tín hiệu trong khoảng Tiền tố tuần hoàn cũng giúp duy trìtính trực giao giữa các sóng mang phụ Tín hiệu OFDM với tiền tốtuần hoàn được định nghĩa như sau:

(2-11)

Không mất tính tổng quát, ta đặt khoảng bảo vệ về 0 và do đókhoảng thời gian ký hiệu OFDM Ts bằng với cửa sổ phân tích Fourier

trở thành giá trị thực bằng cách sử dụng đối xứng liên hợp

Hermit của vector đầu vào IFFT X = [X 0 X 1 …X N-1]:

(2-12)

Đầu vào đầu tiên X 0, tương ứng với tần số 0, cần là giá trị thựcnên không được điều chế Một cách tổng quát thì sự cần thiết chophép đối xứng Hermit ở đầu vào yêu cầu gấp đôi kích thước của khối

IFFT bằng cách mở rộng các ký hiệu {X k , k = 0,1, N-1} tới độ dài

N FFT = 2N Phương pháp này với giá trị thực IFFT ở đầu ra được sử

dụng ở các hệ thống đường dây thuê bao số DSL (digital subcriberline) và được biết dưới tên gọi đa tần rời rạc DMT (discretemultitone)

Tín hiệu sau đó được sử dụng để điều chế cường độ quang củalaser diode rồi truyền qua liên kết quang Cấu hình cơ bản của tínhiệu OFDM qua liên kết FSO được đưa ra ở hình 2.4 Tính phi tuyếncủa laser diode gây ra sự trộn lẫn giữa các tín hiệu người sử dụng,dẫn đến sự méo hài và méo điều chế giao thoa IMD (Inter ModulationDistortion) Đầu ra công suất quang từ laser diode tỷ lệ với các tínhiệu điều chế như sau:

(2-13)

Trong đó P t là công suất quang truyền trung bình

m n là chỉ số điều chế quang OMI cho mỗi sóng

mang, và tổng OMI m total được cho bởi:

(2-14)