Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu việt nam

Ngày nay, sự gia tăng không ngừng của lưu lượng Internet và sự phát triển nhanh chóng của các công nghệ quang đã tạo nên những bước chuyển biến mới mẻ trong kiến trúc mạng viễn thông. 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 dịch vụ như thoại, fax, hình ảnh, số liệu.Cùng có khả năng truyền dẫn tốc độ cao, nhưng các hệ thống truyền thông quang không dây (Free Space Optics FSO) lại dễ dàng lắp đặt, di chuyển hoặc thiết lập lại cấu hình mạng khi cần. FSO là công nghệ viễn thông sử dụng sự truyền lan ánh sáng trong không gian để truyền tín hiệu giữa hai điểm, trong đó tín hiệu quang, thay vì truyền trong sợi quang, sẽ được phát đi trong một búp sóng quang qua không gian. FSO có độ an toàn cao vì sử dụng thông tin tầm nhìn thẳng LOS (lineofsight) và tính hướng của búp sóng quang cao. Tương lai ngày càng đòi hỏi phải có các giải pháp truyền dẫn tốc độ cao để đáp ứng yêu cầu của các doanh nghiêp, tổ chức và cá nhân.Truyền thông quang không dây (FSO) là một công nghệ rất hứa hẹn đang ngày càng nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. Dung lượng của hệ thống FSO tương đương với dung lượng của thông tin cáp quang, tuy nhiên giá thành để triển khai lại chỉ bằng một phần nhỏ so với FTTH. Thêm vào đó, hệ thống FSO có thể nhanh chóng được triển khai sử dụng và tái sử dụng. Tuy nhiên, hầu như chưa có nhiều nghiên cứu tại Việt Nam về công nghệ truyền thông quang không dây này. Đặc biệt là xu hướng chung của thế giới đã và đang chuyển sang nghiên cứu đến các hệ thống FSO.Vì vậy em xin chọn đề tài: “Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam”.

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HỮU NGHỊ VIỆT-HÀN KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG KHÔNG DÂY VÀ VẤN ĐỀ THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN, TỐI ƯU TUYẾN TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM SVTH : Hồ Thị Kim Tiến Lớp : CCVT06B Niên khóa : 2013 - 2016 CBHD : ThS Dương Hữu Ái Đà Nẵng, tháng năm 2016 LỜI CẢM ƠN Trải qua năm học- chặng đường nhiều thử thách, khó khăn đạt không thành công thân em Trong khoảng thời gian hoàn hành đồ án tốt nghiệp có nhiều lúc em thấy áp lực, nhờ giúp đỡ bạn bè, hướng dẫn tận tình thầy cô giúp em nhiều trình thực đồ án Đây hội để em gửi lời cảm ơn đến người Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS Dương Hữu Ái, giảng viên khoa Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông, trường Cao Đẳng CNTT Hữu Nghị Việt – Hàn, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em suốt trình thực đồ án Em xin chân thành cảm ơn nhà trường, thầy cô giáo trường Cao Đẳng CNTT Hữu Nghị Việt – Hàn nói chung, thầy cô khoa Điện Tử - Viễn Thông nói riêng dạy dỗ cho em kiến thức môn đại cương môn chuyên ngành, giúp em có kiến thức, sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình học tập Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt trình học tập hoàn thành đồ án tốt nghiệp Xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng, tháng năm 2016 Sinh viên Hồ Thị Kim Tiến i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .i MỤC LỤC ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .v DANH MỤC BẢNG vi DANH MỤC HÌNH vii PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY (Free Space Optics - FSO) .4 1.1 Giới thiệu hệ thống truyền thông quang FSO 1.1.1 Khái niệm FSO 1.1.2 Lịch sử phát triển 1.1.3Ưu, nhược điểm FSO .6 1.2Các kiến trúc mạng dùng FSO mặt đất .9 1.2.1 Kiến trúc mạng lưới 1.2.2 Kiến Trúc Mạng Điểm – Đa Điểm .10 1.2.3Kiến Trúc Mạng Nhiều Tuyến Điểm – Điểm 11 1.2.4Kiến Trúc Mạng Vòng 11 1.3 Mô hình hệ thống FSO 11 1.3.1 Bộ phát 12 1.3.2 Kênh truyền 12 1.3.3 Bộ thu 13 1.4 Kết luận 13 CHƯƠNG 2: MỘT SỐ ỨNG DỤNG TIÊU BIỂU CỦA HỆ THỐNG FSO 14 2.1 Ứng dụng thông tin mặt đất .14 2.1.1 Kết nối tốc độ cao tòa nhà .14 2.1.2 Ứng dụng mạng truy nhập đầu cuối 15 2.1.3 Ứng dụng trao đổi thông tin cá nhân 17 2.2 Ứng dụng thông tin vệ tinh 17 2.2.1 Phục vụ hoạt động người không gian 18 2.2.2 Truyền liệu từ vệ tinh quan sát 19 2.2.3 Trao đổi thông tin tàu vũ trụ vệ tinh 19 CHƯƠNG 3: CÁC VẤN ĐỀ TRONG VIỆC THIẾT KẾ TUYẾN QUANG KHÔNG DÂY 20 3.1 Giới thiệu chương 20 ii 3.2 Đặc điểm, yêu cầu phát 20 3.3.1Nguồn phát .20 3.3.2Bộ khuếch đại 23 3.3 Đặc điểm, yêu cầu thu 23 3.3.1 Bộ tách sóng bước sóng ngắn (hồng ngoại 1330nm) 23 3.3.2 Bộ tách sóng bước sóng dài (hồng ngoại 1550nm) 24 3.4 Đặc điểm kênh truyền hệ thống FSO 25 3.4.1 Các loại suy hao môi trường truyền dẫn FSO 25 3.4.2 Ảnh hưởng thay đổi không khí đến chất lượng tín hiệu 27 3.5 Yếu tố ảnh hưởng, đánh giá, nâng cao chất lượng tuyến quang không dây 28 3.5.1 Tham số ảnh hưởng đến chất lượng tuyến 28 3.5.1.1 Phương trình truyền tuyến .28 3.5.1.2 Độ suy giảm không khí .30 3.5.2 Tham số đánh giá chất lượng tuyến .32 3.5.2.1 Khả sử dụng tuyến 32 3.5.2.2 Tỉ lệ lỗi bit BER tốc độ liệu khoảng cách truyền 33 3.5.3 Tham số nâng cao chất lượng tuyến .34 3.6 Lựa chọn tần số .36 3.6.1 Ảnh hưởng suy giảm không khí tới bước sóng .36 3.6.2 Thiết bị thu, phát 38 3.6.3 Sự an toàn với mắt người .38 3.7 Kết luận chương 39 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ TỐI ƯU TUYẾN THÔNG TIN QUANG KHÔNG DÂY TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM 40 4.1 Giới thiệu chương 40 4.2 Đánh giá điều kiện thời tiết Việt Nam tính toán suy hao thực tế có đường truyền FSO Việt Nam 40 4.2.1 Khí hậu Việt Nam 40 4.2.2 Tính toán độ suy hao tuyến FSO thực tế có Việt Nam 42 4.2.3 Tính toán độ dự trữ công suất BER tuyến FSO .44 4.3 Thiết kế, tính toán tối ưu tuyến FSO 45 4.3.1 Lưu đồ thuật toán, chương trình kết tính toán Matlab 45 4.3.2 Mô tuyến FSO 1km phần mềm Optisystem 7.0 .51 KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO .57 NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN viii NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN .ix iii iv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt APD (Si- Thuật ngữ tiếng anh Silicon Avalanche Photodiode Nghĩa tiếng việt APD) EDFA FSO Erbium Doped Fiber Amplifier Free-space optical communication FTTH IM InGaA LOS Fibre to the home Intensity Modulation Indium gallium arsenide Light Of Sight Internet cáp quang Điều chế cường độ Lazer Diode Diot Laze Non-return to zero On-Off Keying Semiconductor optical amplifiers Không trở không Khóa đóng mở Bộ khuếch đại bán dẫn LD NRZ OOK SOA Thông tin quang không dây Truyền dẫn thẳng quang Si-PIN Silicon PIN P-type, Intrinsic, Ntype SNR UWB VCSELs Signal to noise ratio Tỷ số tín hiệu tạp âm Ultra wide band vertical-cavity surface-emitting Băng siêu rộng Laser phát xạ mặt với laser cộng hưởng thẳng đứng v DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1 Phân loại độ an toàn laser phát nguồn .20 Bảng 3.2 bán kính hạt tán xạ không khí tham số kích thước tương ứng bước sóng laser 785 nm 1550 nm 31 vi DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Hệ thống truyền thông quang không dây Hình 1.2 Chương trình MLCD NASA .6 Hình 1.3 Những thách thức FSO Hình 1.4 Kiến trúc mạng lưới 10 Hình 1.5 Kiến trúc mạng điểm- đa điểm 10 Hình 1.6 Kiến trúc điểm- điểm 11 Hình 1.7 Kiến trúc mạng vòng 11 Hình 1.8 Sơ đồ khối hệ thống truyền thống truyền thông quang không dây 12 Hình 2.1 Kết nối tốc độ cao tòa nhà 15 Hình 2.2 FSO ứng dụng mạng truy nhập đầu cuối .16 Hình 2.3 FSO thông tin vệ tinh .18 Hình 2.4 Truyền dẫn quang không dây từ vệ tinh tới trạm mặt đất 19 Hình 3.1 Dòng laser, điện áp công suất quang đầu 21 Hình 3.2 Điều chế IM hai nhiệt độ khác 22 Hình 3.3 Cấu tạo Laser VCSEL 22 Hình 3.4 Mô hình thu phát Laser dùng hệ thống FSO 25 Hình 3.5 Ảnh hưởng môi trường đến tuyến FSO 26 Hình 3.6 Vệt đốm kích thước trung bình miệng thu 28 Hình 3.7 Công suất thu phụ thuộc vào tích hệ số suy giảm khoảng cách .30 Hình 3.8 Tham số kích thước hạt tán xạ 32 Hình 3.9 Ảnh hưởng sương mù, bão tuyết 33 Hình 3.10 Hệ số BER khoảng cách 1,25Gb/s 34 Hình 3.11 Tốc độ liệu khoảng cách 34 Hình 3.12: Hàm thời gian sống diode giảm theo chiều tăng nhiệt độ 35 Hình 3.13: Thời gian sống tỉ lệ nghịch với công suất laser 36 Hình 3.14 Sự phụ thuộc truyền bước sóng vào điều kiện không khí, đo khoảng cách 1km, tầm nhìn 200m 37 Hình 4.1 Mô tả ngày sương mù bình quân tỉnh thành nước 42 (nguồn từ Trung Tâm Khí Tượng Thủy Văn Quốc Gia ) .42 51 Hình 4.2 BER thay đổi theo công suất 51 vii phát 1550nm tốc độ 1.25Gbps 51 Hình 4.3 Preceive thay đổi theo BER 51 bước sóng 1550nm tốc độ 1,25Gbps 51 Hình 4.4 Mô hình tuyến FSO 1km Việt Nam 53 Hình 4.5 Giản đồ mắt BER channel 54 Hình 4.6 Giản đồ mắt channel kênh .54 viii Hệ thống thông tin quang không dây vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến điều kiện khí hậu Việt Nam 4.3 Thiết kế, tính toán tối ưu tuyến FSO 4.3.1 Lưu đồ thuật toán, chương trình kết tính toán Matlab Dựa thông tin có được, ta xây dựng thuật toán tìm phương án tối ưu cho tuyến quang Việt Nam Thông số đầu vào là:  Khoảng cách tuyến FSO: 1km;  mưa: 120mm/h  độ nhạy(photon/bit): 88303 Các yếu tố kiểm tra cho đường truyền chất lượng tốt là: - công suất phát : (10dBm - 20dBm) - tốc độ truyền: 2,048Mbps, 100Mbps, 155Mbps, 625Mbps, 1Gbps, 1,25Gbps - Bước sóng : 830nm - 1550nm SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 45 Hệ thống thông tin quang không dây vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến điều kiện khí hậu Việt Nam  Lưu đồ thuật toán START Nhập liệu đầu vào (khoảng cách link, lượng mưa, độ nhạy photon/bit) Tính tầm nhìn (visibility) hệ số q vòng lặp quét tốc độ bước sóng khả dụng Tính độ nhạy máy thu suy hao tổng Vòng lặp quét giá trị công suất khả dụng Yes Tính BER P-re > P-sen + Margin BER < BERmax (rate,bước sóng) Yes Ghi lại thông số No Quét hết giá trị Power No Quét hết giá trị Rate, λ END SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 46 Hệ thống thông tin quang không dây vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến điều kiện khí hậu Việt Nam  Chương trình Matlab %chuong trinh toi uu hoa kenh FSO %nhap du lieu dau vao gom %photon/bit sensivity, luong mua toi da, khoang cach; % Nb=88303; %photon/bit sensivity rain=120; %mm/h range=1; %km % %khoi tao gia tri ban dau cho cac bien P_transmit=(10:0.5:25); %cong suat phat (dBm) lamda=(830:10:1550); %buoc song kha dung (nm) rate=[2.048 100 155 625 1000 1250]; %toc bit (Mbps) visibility=0; %tam nhin theo dk thoi tiet q=0; %he so tinh suy hao tan xa n=0.9; %quantium efficiency BERmax=[ 1 1 1]; %gia tri mac dinh cua BERmax P_transmit_optimize=BERmax; lamda_optimize=BERmax; loss=0; extra_V=0; % khong co su can tro tam nhin nao khac RAIN % %tinh visibility from rain % -if (rain>=100) visibility=-3.375*rain+1040; %unit:meter end if (rain>=50 & rain=25 & rain=12.5 & rain=2.5 & rain=2.5 & rain6000 & visibility1000 & visibility500 & visibility