Nghiên cứu kỹ thuật thông tin quang vô tuyến và tính toán thiết kế tuyến quang vô tuyến tại thành phố Đà Nẵng

Header Page of 126 -1- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRẦN NGỌC CƯƠNG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG VÔ TUYẾN VÀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN QUANG VÔ TUYẾN TẠI THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG Chuyên ngành : Kỹ thuật ñiện tử Mã số: : 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2011 Footer Page of 126 Header Page of 126 -2- Công trình ñược hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: GVC.TS Nguyễn Văn Tuấn Phản biện 1: PGS.TS Tăng Tấn Chiến Phản biện 2: TS Nguyễn Hoàng Cẩm Luận văn ñược bảo vệ trước Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 25 tháng 06 năm 2011 * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Footer Page of 126 Header Page of 126 -1- MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Việc nghiên cứu, tìm hiểu kỹ thuật quang vô tuyến vấn ñề cấp thiết nhằm hiểu rõ nguyên lý hoạt ñộng, cách tổ chức thành mạng thông tin băng thông rộng Có ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nhau, ñiều kiện thời tiết, ñịa hình nước ta nói chung thành phố Đà Nẵng nói riêng MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Ứng dụng kỹ thuật quang vô tuyến, xây dựng mạng thông tin băng rộng cho ñô thị lớn Tính toán thiết kế mạng thông tin quang vô tuyến cụ thể cho thành phố Đà Nẵng từ ñó mở rộng áp dụng cho mạng thông tin băng rộng cho ñô thị nước ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU a) Đối tượng nghiên cứu: * Kỹ thuật quang vô tuyến * Điều kiện khí hậu, thời tiết nước ta nói chung thành phố Đà Nẵng nói riêng * Tuyến thông tin quang vô tuyến có xem xét ñến yếu tố khí hậu thời tiết cụ thể b) Phạm vi nghiên cứu : * Lý thuyết kỹ thuật quang vô tuyến cho mạng thông tin băng rộng nước số khu vực khác nước ta * Phần mềm chuyên dụng Optiwave ñể tính toán mô tuyến thông tin quang vô tuyến * Tuyến thông tin quang vô tuyến thành phố Đà Nẵng PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Footer Page of 126 Header Page of 126 -2- * Phương pháp nghiên cứu xuyên suốt nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phần mềm chuyên dụng ñể kiểm chứng lý thuyết tính toán Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI * Góp phần xây dựng mạng thông tin quang vô tuyến băng thông rộng có xem xét ñến ñiều kiện khí hậu nước ta nhằm phục vụ tốt cho nhu cầu thông tin ngày tăng người sử dụng * Mạng thông tin mang lại hiệu kinh tế, trị, thẩm mỹ cho thành phố lớn DỰ KIẾN CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC * Nắm vững ñược kỹ thuật thông tin quang vô tuyến * Xây dựng ñược tuyến thông tin quang vô tuyến cụ thể thành phố Đà Nẵng TÊN LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG VÔ TUYẾN VÀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN QUANG VÔ TUYẾN TẠI THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG KẾT CẤU LUẬN VĂN Luận văn gồm chương Chương 1: Tổng quan kỹ thuật thông tin quang vô tuyến Chương 2: Hệ thống thu phát quang vô tuyến Chương 3: Phương trình truyền sóng suy hao tín hiệu môi trường truyền sóng Chương 4: Tính toán tuyến thông tin quang vô tuyến xem xét ñến ñiều kiện khí hậu cụ thể Chương 5: Thiết kế tuyến thông tin quang vô tuyến Đà Nẵng mô phần mềm Optiwave KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Footer Page of 126 Header Page of 126 -3- CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG VÔ TUYẾN 1.1 Giới thiệu chương Chương giới thiệu kỹ thuật quang vô tuyến, ứng dụng quang vô tuyến, so sánh ưu nhược ñiểm quang vô tuyến hệ thống thông tin khác hệ thống thông tin sợi quang hệ thống thông tin vô tuyến 1.2 Giới thiệu kỹ thuật quang vô tuyến 1.2.1 Lịch sử ñời phát hệ thống thông tin vô tuyến Ra ñời vào thập niên kỷ XX hệ thống thông tin quang vô tuyến với ưu ñiểm vượt trội băng thông rộng, tính linh hoạt hệ thống.v.v ñã nhanh chóng ñược ñưa vào ứng dụng sống nhằm phục vụ nhu cầu sử dụng thông tin băng thông rộng người tiêu dùng Các quốc gia phát triển mạnh hệ thống quang vô tuyến Mỹ, Na Uy, Thụy Điển, Pháp… 1.2.2 Đặc ñiểm hệ thống thông tin quang vô tuyến * Hệ thống thông tin quang vô tuyến Free Space Optics (FSO) ñời thay sóng ñiện từ ElectroMagnetic (EM) sóng ánh sáng Với bước sóng khoảng từ 780 - 1580 nm tương ứng với tần số khoảng từ 200 - 300 THz * Băng thông cực rộng có khả mang lượng tin lớn ưu ñiểm trội hệ thống thông tin quang vô tuyến * Làm việc tần số ánh sáng nên vượt phạm vi quản lý tần số không cần ñăng ký phân chia vùng tần số * Một ñặc ñiểm không mong muốn tín hiệu quang vô tuyến bị suy hao nhiều môi trường truyền ñặc biệt môi trường có mưa, sương mù, khói bụi v.v Footer Page of 126 Header Page of 126 -4- 1.3 Ứng dụng quang vô tuyến 1.3.1 Tổ chức mạng Last mile * Cung cấp kết nối linh hoạt * Khả sẵn sàng sử dụng mạng ñộ tin cậy cao * Dung lượng người dùng cao * Giảm chi phí thiết kế thi công hệ thống * Giảm ñược việc ñào ñường chôn cáp, giảm ñược việc treo cáp lên cột ñiện 1.3.2 Tổ chức mạng MAN thành phố, LAN to LAN tổ chức doanh nghiệp lớn * FSO cung cấp giao diện Ethernet môi trường LAN to LAN Điều làm giảm bớt vấn ñề kinh tế việc thiết lập kết nối, giao diện khu vực, việc hổ trợ ñơn giản 1.3.3 Ứng dụng mạng GSM 3G * FSO cung cấp băng thông lớn, không yêu cầu cấp phép nào, cho phép nhà ñiều hành mạng triển khai mạng nhanh chóng giá thành thấp Phục vụ tốt cho mạng ñiện thoại 3G ñã ñược ñưa vào khai thác sử dụng Trong tương lai mạng 4G, 4,5G ñưa vào ứng dụng nước phát triển Na Uy, Thuỵ Điển… 1.3.4 Tổ chức mạng thông tin băng rộng tốc ñộ cao cho hoạt ñộng nước * Phục vụ cho tàu biển, tàu ngầm, nghiên cứu ñại dương, tìm kiếm cứu nạn…Là nhu cầu công việc thiết thực phục phụ tốt cho hoạt ñộng biển kể quân dân 1.3.5 Tổ chức mạng thông tin băng rộng cho vệ tinh vũ trụ * Tổ chức mạng thông tin cho vệ tinh vũ trụ liên lạc với nhau, liên lạc với máy bay liên lạc với trạm mặt ñất hoàn toàn Footer Page of 126 Header Page of 126 -5- * Càng cao không khí lại có thành phần làm cản trở phản xạ sóng hơn, so với tầng không khí gần mặt ñất nên công suất phát cự li liên lạc sẻ ñược xa 1.4 So sánh ưu nhược ñiểm quang vô tuyến hệ thống thông tin khác 1.4.1 Hệ thống thông tin hữu tuyến dùng cáp ñồng trục * Băng thông hẹp, suy hao tín hiệu lớn * Triển khai hệ thống phức tạp * Giá thành hệ thống cao hệ thống thông tin dùng cáp ñồng trục ñời từ thập niên ñầu kỷ XX liên lạc cự li ngắn 1.4.2 CATV (cáp truyền hình) * Hệ thống truyền hình cáp ñã ñược mở rộng ñể cung cấp thông tin hai chiều ñường cáp vật lý sẵn có Nhưng băng thông cho hướng thông tin từ khách hàng ñến mạng tỉ số S/N ñạt ñược bị giới hạn nên người dùng gặp khó khăn chia sẻ cáp truyền hình với người dùng khác 1.4.3 Những hệ thống thông tin vô tuyến * Mỗi hệ thống thông tin vô tuyến ñều có ưu, nhược ñiểm khác Mỗi hệ thống phục vụ vị trí, nhiệm vụ khác có nhược ñiểm chung băng thông không ñược rộng thông tin quang vô tuyến, khả mang tín hiệu Hệ thống thông tin quang vô tuyến ñời bổ sung thêm ưu ñiểm cho hệ thông thông tin vô tuyến làm hoàn thiện thêm hệ thống 1.4.4 Hệ thống thông tin cáp quang * Cáp quang phương tiện trội cung cấp dung lượng thông tin lớn, ñộ suy hao tín hiệu nhỏ, chất lượng tín hiệu cao * Nhưng triển khai hệ thống với giá thành cao không phù hợp với nơi có ñịa hình phức tạp Footer Page of 126 Header Page of 126 -6- 1.4.5 Hệ thống thông tin quang vô tuyến * Là hệ thống thông tin vô tuyến có băng thông rộng có khả ñáp ứng với mạng thông tin băng thông rộng * Giá thành thấp, linh hoạt triển khai hệ thống * Mang lại thẩm mỹ cho thành phố * Suy hao tín hiệu lớn môi trường truyền 1.4.6 Xác ñịnh chất lượng hệ thống quang vô tuyến * Phép ño chủ yếu giá trị hệ thống thông tin quang vô tuyến truyền liệu băng rộng hiệu cao, với tỉ lệ lỗi bit BER chấp nhận ñược thường 10-6 tốt Công suất phát cho phép dải bước sóng từ 750 – 1550 nm 1.5 Kết luận chương Hệ thống thông tin vô tuyến góp phần ñáp ứng ñược yêu cầu băng thông rộng cho người tiêu dùng, góp phần làm hoàn thiện hệ thống thông tin có Khắc phục ñược việc triển khai hệ thống thông tin gặp nhiều khó khăn chi phí cao vướng mắc cở sở hạ tầng CHƯƠNG HỆ THỐNG THU PHÁT QUANG VÔ TUYẾN 2.1 Giới thiệu chương Chương giới thiệu kỹ thuật phần phát, phần thu hệ thống quang vô tuyến 2.2 Phần phát 2.2.1 Giới thiệu chung hệ thống * Kỹ thuật FSO kết nối mạng vô tuyến dùng ánh sáng thay cho sóng radio, kết nối quang dựa sở Laser mà không dùng sợi quang 2.2.2 Các ñặc ñiểm phát Footer Page of 126 Header Page of 126 -7- * Các hệ thống hoạt ñộng trời thường sử dụng Laser công suất cao nhóm 3B (trong bảng 2.1) ñể ñạt ñộ dự trữ công suất tốt * Bộ phát thường sử dụng laser diode phổ biến thị trường ñáp ứng bước sóng mong muốn Những tham số then chốt cần phải xem xét trình thiết kế: bước sóng λ , công suất P0, thời gian lên tr , thời gian xuống t f 2.2.3 Laser phát xạ mặt * Để thỏa mãn yêu cầu trên, ta thường sử dụng Laser phát xạ mặt với cộng hưởng thẳng ñứng (VCSELs) dùng cho phạm vi bước sóng hồng ngoại ngắn Laser FD hay DFB dùng cho phạm vi bước sóng hồng ngoại dài Các loại Laser khác không thích hợp cho hệ thống FSO hiệu suất cao 2.2.4 Laser Diode bán dẫn (LD) * Băng tần hệ thống thông tin quang ñòi hỏi lớn, LD phù hợp ñiốt phát quang LED 2.2.5 Điều khiển công suất laser * Thời gian sống laser phụ thuộc nhiều vào công suất phát laser * Độ tin cậy laser ñiều ñáng quan tâm ñối với hệ thống quang không dây Laser cần có thời gian hai lần sai hỏng năm Hai yếu tố ảnh hưởng ñến thời gian sống laser diode bán dẫn là: Công suất nhiệt ñộ laser 2.2.6 Điều chế tín hiệu * Trong kỹ thuật thông tin vô tuyến nói chung hệ thống thông tin quang vô tuyến nói riêng việc ñiều chế tín hiệu tín hiệu quan trọng ñể ñảm bảo ñộ sâu ñiều chế, ñộ méo tín hiệu phạm vi cho phép * Trong kỹ thuật quang có phương pháp ñiều chế tín hiệu sau Điều chế khoá dịch biên ñộ (ASK) hay ñiều chế ñóng mở Footer Page of 126 Header Page 10 of 126 -8- OOK, ñiều chế khoá dịch tần FSK, ñiều chế khoá dịch pha PSK, ñiều chế khoá dịch pha vi phân DPSK, ñiều chế phân cực PoLSK 2.2.8 Nguồn khuếch ñại * Nguồn khuếch ñại, EDFAs khuếch ñại bán dẫn (SOAs), ñược sử dụng ñể nâng công suất phát nguồn Laser 2.2.9 Hệ thống bám ñuổi * Trong hệ thống thông tin quang không dây cần thiết có hệ thống bám ñuổi quang Nhằm khắc phục ảnh hưởng lệch chùm tia phía thu * Biên tuyến FSO thăng gián không xác lắp ñặt theo thời gian Do ñó, cần phần cứng ñiều khiển phát laser sử dụng phát tạo ñộ trải chùm tia ñủ lớn ñể bù lay ñộng tòa nhà ñặt hệ thống 2.3 Phần thu * Thiết bị thu quang (bộ thu quang) ñóng vai trò quan trọng hệ thống thông tin quang, nơi mà thiết bị thu nhận ñặc tính tác ñộng toàn tuyến * Thiết bị thu quang cần phải có ñộ nhạy cao, ñáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá thành hạ bảo ñảm ñộ tin cậy cao 2.3.1 Cơ chế thu quang * Trên sở hiệu ứng quang ñiện trình hấp thụ ánh sáng chất bán dẫn Khi ánh sáng ñập vào vật thể bán dẫn, ñiện tử vùng hóa trị ñược chuyển dời tới vùng dẫn tác ñộng xẩy không thu ñược kết mà có ñiện tử chuyển ñộng xung quanh tái hợp trở lại với lỗ trống vùng hoá trị Do ñó ñể biến ñổi lượng quang thành ñiện ta phải tận dụng trạng thái mà lỗ trống ñiện tử chưa kịp tái hợp 2.3.2 Thiết bị thu, tách sóng Footer Page 10 of 126 Header Page 12 of 126 - 10 CHƯƠNG PHƯƠNG TRÌNH TRUYỀN SÓNG VÀ SUY HAO TÍN HIỆU TRONG MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG 3.1 Giới thiệu chương Chương nêu ñặc ñiểm ñường truyền tín hiệu quang vô tuyến, ñánh giá yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng tuyến quang vô tuyến, ñánh giá ñiều kiện thời tiết thành phố Đà Nẵng Các yếu tố ảnh hưởng tới ñường truyền tuyến quang vô tuyến phương trình truyền sóng 3.2 Đặc ñiểm ñường truyền tín hiệu quang vô tuyến 3.2.1 Truyền ánh sáng * Tuyến FSO bao hàm truyền, hấp thụ tán xạ ánh sáng khí trái ñất Khí tương tác với ánh sáng phụ thuộc vào thành phần không khí, ñiều kiện bình thường, bao gồm nhiều loại phân tử khí hạt lơ lửng khác * Có vùng bước sóng mà truyền gần suốt (không có hấp thụ) gọi cửa sổ tần số 3.2.2 Ảnh hưởng thay ñổi không khí ñến chất lượng tín hiệu * Sự thay ñổi tính chất không khí gây biến thiên cường ñộ tín hiệu theo không gian thời gian ñầu thu 3.3 Đánh giá yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng tuyến quang vô tuyến 3.3.1 Xét tượng theo lí thuyết truyền xạ ñiện từ * Trong nghiên cứu truyền xạ môi trường hấp thụ tán xạ, phát xạ hai yếu tố quan trọng Đầu tiên, hấp thụ không xảy biên tuyến mà ñiểm môi trường Điều ñúng với tượng tán xạ Để có giải pháp cho vấn ñề truyền xạ Footer Page 12 of 126 Header Page 13 of 126 - 11 - cần thiết phải biết nhiệt ñộ toàn thể tích thuộc tính vật lý ñiểm môi trường 3.3.2 Điều kiện ñể áp dụng lý thuyết truyền xạ (RTT) * Sử dụng xấp xỉ quang hình học, ñó bước sóng xạ ñiện từ nhỏ hệ số thay ñổi tham số vi hệ thống Phép xấp xỉ cho phép sử dụng khái niệm chùm tia cho việc lan truyền sóng ñiện từ môi trường * Tất trình tương tác ñiện từ ñơn vị thể tích môi trường ñược rút gọn thành ba hoạt ñộng: hấp thụ, phát xạ tán xạ 3.3.3 Hoạt ñộng tán xạ * Nếu môi trường bao gồm hạt nhỏ không ñồng nhất, xạ xuyên qua ñường truyền bị phân tán hướng Những hạt hạt bụi, giọt nước 3.3.4 Đánh giá chất lượng tuyến * Khả sử dụng tuyến yếu tố then chốt ñược xem xét lắp ñặt hệ thống * Độ tin cậy thiết bị * Số liệu thống kê khí hậu, thời tiết tính toán ñộ suy giảm tín hiệu không khí yếu tố quan trọng làm ảnh hưởng tới chất lượng tuyến * Hiệu suất công tác tuyến kể công suất phát khả truy cập mạng dẫn tới giá thành xây dựng mạng, giá cước truy cập ñiều kiện ñảm bảo chất lượng thông tin tỷ lệ lỗi bít BER, ñộ trễ tín hiệu… 3.4 Phương trình truyền sóng 3.4.1 Phương trình truyền * Phương trình truyền hệ thống quang vô tuyến dạng ñơn giản (bỏ qua hiệu suất quang máy phát, nhiễu máy thu…) ñược nêu công thức sau Footer Page 13 of 126 Header Page 14 of 126 PR = PT - 12 - AR exp(-α Range) ( Div.Range)2 (3.1) Trong ñó: A R diện tích mặt máy thu (m2); Div góc phân kì chùm tia (radian); α hệ số suy giảm không khí (1/Km); PT công suất máy phát (W); exp(-α Range) hàm mũ số e tích hệ số suy giảm khoảng cách) 3.4.2 Độ suy giảm tín hiệu không khí * Tham số ảnh hưởng ñến chất lượng ñường truyền chủ yếu suy hao không khí Sự suy giảm công suất laser qua môi trường không khí ñược ñịnh nghĩa theo ñịnh luật Beers-Lambert: τ ( R) = P( R) = e −σ R P(0) (3.2) Trong ñó: τ ( R ) hàm truyền khoảng cách R P(R) công suất R; P(0) công suất nguồn phát σ hệ số suy giảm (1/Km) 3.4.3 Phương trình truyền xạ vector xung * Phương trình truyền xạ dạng vector là: S ∇I (r, S ) = −ρσ t I (r, S ) + ∫ P(S , S ') I (r, S ')d Ω '+ J (r, S ) 4π (3.3) 3.4.4 Phương trình truyền xạ vector xung (PVRTE) miền mặt phẳng song song * Những giả thiết môi trường ngẫu nhiên Trong ứng dụng thông tin quang vô tuyến mặt ñất, không khí ñược xấp xỉ mô hình mặt phẳng song song, hình 3.7 3.5 Các tham số ñể xây dựng tuyến thông tin quang vô tuyến 3.5.1 Các tham số làm suy hao tín hiệu * Hệ số suy hao tổng cộng bao gồm thành phần suy hao tán xạ hấp thụ Footer Page 14 of 126 Header Page 15 of 126 với: α - 13 - γ ( λ ) = α ( λ )mua + β ( λ ) mưa( (3.5) λ ) suy hao hấp thụ mưa β ( λ ) suy hao tán xạ nói chung (không kể ñến mưa) Để tính suy hao mưa gây ta dùng công thức CARBONNEAU sau: α (λ ) mua = 1, 076.rain0,67 (dB/km) (3.6) Để tính suy hao tán xạ nói chung (không kể ñến mưa) ta dùng công thức từ công trình nghiên cứu P.W Kruse I.I KIM 3, 912  λ nm  β (λ ) =   V  550  −q (3.7) 3.5.2 Bài toán xây dựng kênh FSO Cho giá trị tốc ñộ bít, tỉ lệ lỗi bít BER cho trước lựa chọn bước sóng dải cho phép Tính toán xây dựng kênh thông tin quang vô tuyến cụ thể * Công suất phát [ phụ lục 2] PT = (10 – 25) dBm (3.8) * Tính toán suy hao mưa theo công thức (3.13) tán xạ theo công thức (3.14) L os s = α ( λ ) range + 10 log 10( β ( λ ) range ) (3.9) * Tính công suất thu (3.10) P R = PT − L O S S * Từ yêu cầu ñề - Cho biết tốc ñộ bít Rb có giá trị cụ thể −3 - Yêu cầu tỷ lệ lỗi bít BER ≤ 10 Dựa vào công thức BER = e r fc ( eSN R 2 ) Dựa vào bảng erfc phụ lục tìm ñược giá trị eSNR Footer Page 15 of 126 (3.11) Header Page 16 of 126 - 14 - * Tính ñộ nhạy máy thu P s e n η λ eSN R = B h c ⇒ Ps e n = e S N R B h c η λ (3.12) Trong ñó tham số ñều ñã biết B ñộ rộng băng thông tùy theo lựa chọn tốc ñộ bít cho trước, eSNR vừa tìm ñược, h số Planck, c tốc ñộ ánh sáng, λ bước sóng tùy chọn, η hiệu suất lượng tử thu quang với tách sóng vật liệu CCD η khoảng từ 30% ñến 90% * Từ PR ñã tìm ñược chọn công suất dự trử Pm a g i n = d B (3.13) * Nếu PR − Pmagin ≥ Psen ⇒ PR ≥ Psen + Pmagin (3.14) Thì hệ thống hoạt ñộng bình thường Từ công suất thu vừa tính toán ñược xác ñịnh lại công suất phát nhờ công thức (3.19) xem thử công suất phát có mằm dải công suất khuyến cáo thiết bị cụ thể hay không Vậy ta ñã thứ tự thực bước giải toán tính toán xây dựng kênh thông tin vô tuyến theo yêu cầu tốc ñộ tín hiệu tỉ lệ lỗi bít BER cho trước 3.6 Kết luận chương Chương sở lý thuyết ñể xây dựng mạng thông tin quang vô tuyến Từ nghiên cứu nhiệt ñộ ngày, ñộ ẩm, sương mù, khói bụi ñể từ ñó tính toán cụ thể nhà thiết kế mạng phải biết ñược ñộ suy hao tín hiệu khoảng cách thiết kế ñể bù công suất, lựa chọn bước sóng cho phù hợp Footer Page 16 of 126 Header Page 17 of 126 - 15 CHƯƠNG TÍNH TOÁN TUYẾN THÔNG TIN QUANG VÔ TUYẾN XEM XÉT ĐẾN CÁC ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU CỤ THỂ 4.1 Giới thiệu chương Chương gồm phần xây dựng lưu ñồ thuật toán tính toán hệ thống thông thông tin quang vô tuyến xem xét ñến ñiều kiện khí hậu cụ thể Chương trình mô phần mềm Matlab 4.2 Xây dựng lưu ñồ thuật toán tính toán hệ thống thông tin quang vô tuyến xem xét ñến ñiều kiện khí hậu cụ thể 4.2.1 Các tham số * Khoảng cách tuyến FSO : km; mưa : 50-100 mm/h; bụi không khí 10-100 µg/m3; công suất dự trữ dB Các yếu tố thực nghiệm cho ñường truyền quang vô tuyến * Công suất phát từ 10 dBm – 25 dBm [ phụ lục 2] * Tốc ñộ truyền tiêu biểu Mbps, 100 Mbps, 155 Mbps, 625 Mbps, Gbps, 1,25 Gbps * Bước sóng : 830 nm – 1550 nm [phụ lục 2] Footer Page 17 of 126 Header Page 18 of 126 - 16 - 4.2.2 Lưu ñồ thuật toán Start Nhập liệu ñầu vào (khoảng cách, lượng mưa, ñộ ẩm, bụi tổng, ñộ nhạy photon/bit), Margin Tính tầm nhìn (visibility) hệ số Q vòng lặp quét tốc ñộ vòng lặp quét bước sóng khả dụng Tính ñộ nhạy máy thu suy hao tổng Vòng lặp quét giá trị công suất khả dụng PR ≥ Psen + Margin Sai Đúng Tính SNR Tính BER Sai BER < BERchophep(tốcñộ,bướcsóng) Đúng Ghi lại thông số Sai Quét hết giá trị công suất Đúng Sai Quét hết giá trị bước sóng Đúng Sai Quét hết giá trị tốc ñộ Đúng END Footer Page 18 of 126 Header Page 19 of 126 - 17 - 4.2.3 Diễn giải bước tính toán matlab * Nhập liệu ñầu vào Khoảng cách, bước sóng, tốc ñộ, lượng mưa, bụi tổng không khí, ñộ nhạy, công suất phát, tốc ñộ theo mục [4.2.1] * Công suất phát; Bước sóng; Tốc ñộ bít theo vòng lặp * Tầm nhìn theo ñiều kiện thời tiết [mưa bụi tổng không khí] * Tính suy hao công suất tổng Loss = α ( λ ) mua range + 10.log10( β (λ ).range) (dB/km) * Tính công suất ñầu vào máy thu theo công thức PR = PT − L O S S PR ≥ Psen + Pm a g in * Tính tỉ số tín hiệu nhiễu P η λ e S N R B h c e S N R = sen ⇒ Ps e n = B h c η λ * Tính tỉ số tín hiệu nhiễu BER = e r fc ( eSN R 2 ) 4.3 Mô phần mềm Matlab 4.3.1 Chương trình * Chương trình ñược viết cụ thể phần mềm Matlab Footer Page 19 of 126 Header Page 20 of 126 - 18 - 4.3.2 Kết ñồ thị chương trình tính toán Matlab Hình 4.1 BER thay ñổi theo công suất phát bước sóng 1550 nm tốc ñộ 1.25 Gbps Hình 4.3 BER thay ñổi theo công suất thu loại bước sóng tốc ñộ bít khác Nhận xét : Trên sở lưu ñồ thuật toán kết tính toán cụ thể, chương trình matlab thực vòng lặp (công suất phát, bước sóng Footer Page 20 of 126 Header Page 21 of 126 - 19 - tốc ñộ bít) từ ñó nhập giá trị tham số vòng lặp ñể ñược kết biểu thị hình ảnh việc lựa chọn tổ hợp giá trị cho phù hợp với thiết kế tuyến cụ thể 4.4 Kết luận chương Ứng dụng phần mềm Matlab với tham số ñầu vào theo yêu cầu thiết kế tuyến thông tin quang vô tuyến cụ thể khoảng cách, bước sóng, tốc ñộ bít Xây dựng lưu ñồ thật toán, viết chương trình mô chạy chương trình cho kết ñể lựa chọn tính khả thi cho tuyến thông tin quang vô tuyến cụ thể CHƯƠNG THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN QUANG VÔ TUYẾN TẠI ĐÀ NẴNG VÀ MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM OPTIWAVE 5.1 Giới thiệu chương Chương kiểm nghiệm lại việc tính toán mô lý thuyết chương xây dựng mạng thông tin quang vô tuyến cụ thể 5.2 Các thông số cụ thể tuyến thông tin từ Trung tâm Hành Chính thành phố Đà Nẵng số 45 Trần Phú ñến Trung tâm thông tin di ñộng khu vực (Mobifone) khu công nghiệp An Đồn số 315 Ngô Quyền TP Đà Nẵng 5.2.1 Các tham số mạng quang vô tuyến * Khoảng cách tuyến FSO : km; mưa : 50-100 mm/h; bụi không khí 10-100 µg/m3; công suất dự trữ dB Các yếu tố thực nghiệm cho ñường truyền quang vô tuyến * Công suất phát từ 10 dBm – 25 dBm [phụ lục 2] * Tốc ñộ truyền tiêu biểu Mbps, 100 Mbps, 155 Mbps, 625 Mbps, Gbps, 1,25 Gbps * Bước sóng : 830 nm – 1550 nm Footer Page 21 of 126 Header Page 22 of 126 - 20 - 5.2.2 Xây dựng hình ảnh Quang vô tuyến Sông Hàn Trung tâm Hành Chính thành Cột anten Mobifone khu công phố Đà Nẵng số 45 - Trần Phú nghiệp An Đồn số 315 Ngô Quyền TP Đà Nẵng Hình 5.1 Hình ảnh mô tuyến thông tin quang vô tuyến Trung tâm Hành Chính thành phố Đà Nẵng có dự án xây dựng khu ñất số 45 ñường Trần Phú với chiều cao 103 mét, cột anten Mobifone khu vực thuộc khu công nghiệp An Đồn số 315 Ngô Quyền TP Đà Nẵng cao 65 mét Khoảng cách ño ñược theo ñường ñi qua cầu Sông Hàn 1,2 km tính theo ñường thẳng chim bay khoảng km lựa chọn số tròn cho dễ tính toán trình mô Footer Page 22 of 126 Header Page 23 of 126 - 21 - 5.3 Mô phần mềm optiwave 5.3.1 Xây dựng hệ thống thu phát phần mềm optiwave Hình 5.2 Hình ảnh mô tuyến thông tin quang vô tuyến phần mềm Optiwave 5.3.2 Kết chạy chương trình phần mềm optiwave Hình 5.3 Hình ảnh giản ñồ mắt mô tuyến thông tin quang vô tuyến phần mềm Optiwave với tham số công suất phát 25 dBm; khoảng cách km; suy hao tổng 35 dB/km; tốc ñộ bít 1.25 GHz; bước sóng 1550 nm Footer Page 23 of 126 Header Page 24 of 126 - 22 - Hình 5.6 Hình ảnh giản ñồ mắt mô tuyến thông tin quang vô tuyến phần mềm Optiwave với tham số công suất phát 25 dBm, khoảng cách km, suy hao tổng 25 dB/km, tốc ñộ bít 100 Mbps; bước sóng 830 nm 5.3.3 Biểu diển ñồ thị tham số Hình 5.8 Hình ảnh ñồ thị biểu diễn quan hệ công suất phát tỉ lệ lỗi bít theo số liệu chạy mô tuyến thông tin quang vô tuyến phần mềm Optiwave với tham số công suất phát từ 10-25 dBm; Footer Page 24 of 126 Header Page 25 of 126 - 23 - khoảng cách km; suy hao tổng 35 dB/km; tốc ñộ bít 100 Mbps; bước sóng 830 nm 5.4 Kết luận chương Dựa sở tham số ñã ñược tính toán chương phần chương trình mô phần mềm Optiware ñược thể giản ñồ mắt ghi lại giá trị (PT, BER) ñó biểu diển thành ñồ thị tương tự kết chạy chương trình Matlab việc tính toán lý thuyết hoàn toàn hợp lý Footer Page 25 of 126 Header Page 26 of 126 - 24 - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Kết luận * Từ sở lý thuyết ứng dụng công thức công trình nghiên cứu ñã ñược công bố trước ñây Trên sở ñiều kiện thời tiết khí hậu nước ta nói chung thành phố Đà Nẵng nói riêng Tính toán số liệu Mô hai phần mềm Matlab Optiware ñể tăng ñộ tin cậy Luận văn ñã xây dựng ñược tuyến thông tin quang vô tuyến thành phố Đà Nẵng yêu cầu ñề Hướng phát triển ñề tài * Dùng phương pháp xác suất thông kê ñể xác ñịnh thông số suy hao tín hiệu bụi gây ảnh hưởng tới tuyến thông tin quang vô tuyến * Thực ghép nhiều kênh tuyến * Có thiết bị cụ thể ñể thành lập tuyến thông tin quang vô tuyến * Thực ghép nối mạng thông tin quang vô tuyến với mạng thông tin khác nhằm tăng tốc ñộ, ñộ tin cậy…phục phụ nhu cầu người tiêu dùng thành phố Đà Nẵng nói riêng nước nói chung Footer Page 26 of 126 ... dựng ñược tuyến thông tin quang vô tuyến cụ thể thành phố Đà Nẵng TÊN LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG VÔ TUYẾN VÀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN QUANG VÔ TUYẾN TẠI THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG KẾT CẤU... Optiwave ñể tính toán mô tuyến thông tin quang vô tuyến * Tuyến thông tin quang vô tuyến thành phố Đà Nẵng PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Footer Page of 126 Header Page of 126 -2- * Phương pháp nghiên cứu. .. nói chung thành phố Đà Nẵng nói riêng MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Ứng dụng kỹ thuật quang vô tuyến, xây dựng mạng thông tin băng rộng cho ñô thị lớn Tính toán thiết kế mạng thông tin quang vô tuyến cụ