Nghiên cứu và trình bày hệ thống thông tin quang vô tuyến FSO (free space optics)

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, gia tăng không ngừng lưu lượng Internet phát triển nhanh chóng công 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 thông tin quang vô tuyến FSO (Free Space Optics) lại dễ dàng lắp đặt, di chuyển thiết lập lại cấu hình mạng cần FSO có độ an toàn cao sử dụng thông tin tầm nhìn thẳng LOS (line-of-sight) tính hướng búp sóng quang cao 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 Việc nghiên cứu, tìm hiểu kỹ thuật FSO vấn đề cấp thiết nhằm hiểu rõ nguyên lý hoạt động, cách tổ chức thành mạng thông tin băng thông rộng Có ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nhau, điều kiện thời tiết, địa hình Chính lí báo cáo chúng em xin trình bày đề tài : "Nghiên cứu trình bày hệ thống thông tin quang vô tuyến FSO (Free Space Optics)" Trong báo cáo nội dung chương cụ thể sau: • Chương I: Tổng quan hệ thống FSO • Chương II: Mô hình hệ thống FSO • Chương III: Phương trình truyền sóng suy hao tín hiệu môi trường truyền sóng • Kết luận hướng phát triển đề tài Mặc dù cố gắng trình nghiên cứu, báo cáo chắn không tránh khỏi thiếu sót Vì chúng em mong nhận thông cảm, góp ý nhận xét cô TS.Hoàng Phương Chi để báo cáo hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! Báo cáo tập lớn Page PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC TRONG NHÓM Công việc Tìm hiểu đề tài Chương I:Tổng quan hệ thống FSO Chương II: Mô hình hệ thống FSO Thành viên thực Cả nhóm Phạm Quốc Huy Vương Quốc Anh Nguyễn Viết Dũng Chương III: Phương trình truyền sóng Hoàng Thanh Tùng suy hao tín hiệu môi trường truyền Nguyễn Mạnh Linh sóng Làm báo cáo slide Thuyết trình Báo cáo tập lớn Vương Quốc Anh Hoàng Thanh Tùng Phạm Quốc Huy Page CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG FSO 1.1 Giới thiệu chương Chương giới thiệu kỹ thuật quang vô tuyến, ứng dụng quang vô tuyến, so sánh ưu nhược điểm 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 2.1 Lịch sử đời phát triển hệ thống thông tin quang vô tuyến FSO Ra đời vào thập niên kỷ XX hệ thống thông tin quang vô tuyến với ưu điểm vượt trội băng thông rộng, tính linh hoạt hệ thống.v.v nhanh chóng đưa 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… 2.2 Đặc điểm hệ thống thông tin quang vô tuyến Hệ thống thông tin quang vô tuyến FSO gồm đặc điểm bật sau: • Hệ thống thông tin quang vô tuyến Free Space Optics (FSO) đời thay sóng điện 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 điểm trội hệ thống thông tin quang vô tuyến • Làm việc tần số ánh sáng nên vượt phạm vi quản lý tần số không cần đăng ký phân chia vùng tần số • Một đặc điểm không mong muốn tín hiệu quang vô tuyến bị suy hao nhiều môi trường truyền đặc biệt môi trường có mưa, sương mù, khói bụi Ứng dụng FSO 3.1 Tổ chức mạng Last mile • Cung cấp kết nối linh hoạt • Khả sẵn sàng sử dụng mạng độ tin cậy cao • Dung lượng người dùng cao • Giảm chi phí thiết kế thi công hệ thống • Giảm việc đào đường chôn cáp, giảm việc treo cáp lên cột điện Báo cáo tập lớn Page .3.2 Tổ chức mạng MAN thành phố, LAN to LAN doanh nghiệp lớn 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.: FSO cung cấp giao diện Ethernet môi trường LAN to LAN Điều làm giảm bớt vấn đề kinh tế việc thiết lập kết nối, giao diện khu vực, việc hỗ trợ đơn giản .3.3 Ứng dụng mạng GSM 3G FSO cung cấp băng thông lớn, không yêu cầu cấp phép nào, cho phép nhà điều hành mạng triển khai mạng nhanh chóng giá thành thấp Phục vụ tốt cho mạng điện thoại 3G đưa vào khai thác sử dụng Trong tương lai mạng 4G, 4,5G đưa vào ứng dụng nước phát triển Na Uy, Thuỵ Điển… 3.4 Tổ chức mạng thông tin băng rộng tốc độ cao cho hoạt động nước Phục vụ cho tàu biển, tàu ngầm, nghiên cứu đại dương, tìm kiếm cứu nạn…Là nhu cầu công việc thiết thực phục phụ tốt cho hoạt động biển kể quân dân .3.5 Tổ chức mạng 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 đất hoàn toàn Càng cao không khí lại có thành phần làm cản trở phản xạ sóng hơn, so với tầng không khí gần mặt đất nên công suất phát cự li liên lạc sẻ xa .4 So sánh ưu nhược điểm FSO với hệ thống thông tin khác 4.1 Hệ thống thông tin hữu tuyến dùng cáp đồng 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 đồng trục đời từ 4.2 thập niên đầu kỷ XX liên lạc cự li ngắn CATV(cáp truyền hình) Hệ thống truyền hình cáp mở rộng để cung cấp thông tin hai chiều đường cáp vật lý sẵn có Nhưng băng thông cho hướng thông tin từ khách hàng đến mạng bị Báo cáo tập lớn Page giới hạn nên người dùng gặp khó khăn chia sẻ cáp truyền hình với người dùng khác .4.3 Những hệ thống thông tin vô tuyến Mỗi hệ thống thông tin vô tuyến có ưu, nhược điểm khác Mỗi hệ thống phục vụ vị trí, nhiệm vụ khác có nhược ñiểm chung băng thông không rộng thông tin quang vô tuyến, khả mang tín hiệu Hệ thống thông tin quang vô tuyến đời bổ sung thêm ưu ñiểm cho hệ thống thông tin vô tuyến làm hoàn thiện thêm hệ thống .4.4 Hệ thống thông tin cáp quang • Cáp quang phương tiện trội cung cấp dung lượng thông tin lớn, độ suy • 4.5 • • • • 4.6 hao tín hiệu nhỏ, chất lượng tín hiệu cao Nhưng triển khai hệ thống với giá thành cao không phù hợp với nơi có địa hình phức tạp Hệ thống thông tin quang vô tuyến Là hệ thống thông tin vô tuyến có băng thông rộng có khả đáp 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 Xác định chất lượng hệ thống thông tin quang vô tuyến Phép đo 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 thường tốt Công suất phát cho phép dải bước sóng từ 750 – 1550 nm .5 Kết luận chương Hệ thống thông tin vô tuyến góp phần đáp ứng yêu cầu băng thông rộng cho người tiêu dùng, góp phần làm hoàn thiện hệ thống thông tin có Khắc phục việc triển khai hệ thống thông tin gặp nhiều khó khăn chi phí cao vướng mắc cở sở hạ tầng Báo cáo tập lớn Page CHƯƠNG II MÔ HÌNH HỆ THỐNG FSO 2.1 Giới thiệu chương Chương giới thiệu kỹ thuật phần phát, phần thu hệ thống quang vô tuyến .2 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 Các thành phần hệ thống FSO minh họa hình sau: Hình Sơ đồ khối hệ thống FSO(nguồn internet) Bộ phát 3.1 Các đặc điểm phát • Các hệ thống hoạt động trời thường sử dụng Laser công suất cao để đạt độ dự trữ công suất tốt Báo cáo tập lớn Page • Bộ phát thường sử dụng laser diode phổ biến thị trường đáp ứng 3.2 bước sóng mong muốn Những tham số then chốt cần phải xem xét trình thiết kế: bước sóng λ , công suất , thời gian lên , thời gian xuống Laser phát xạ mặt Để thỏa mãn yêu cầu trên, ta thường sử dụng Laser phát xạ mặt với cộng hưởng thẳng đứng (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 .3.3 Laser Diode bán dẫn (LD) Băng tần hệ thống thông tin quang đòi hỏi lớn, LD phù hợp điốt phát quang LED .3.4 Điều khiển công suất laser • Thời gian sống laser phụ thuộc nhiều vào công suất phát laser • Độ tin cậy laser điều đáng quan tâm hệ thống quang không dây Laser cần có thời gian hai lần sai hỏng năm Hai yếu tố ảnh hưởng đến thời gian sống laser diode bán dẫn là: Công suất nhiệt độ laser .3.5 Điều chế tín hiệu • Trong kỹ thuật thông tin vô tuyến nói chung hệ thống thông tin quang vô tuyến nói riêng việc điều chế tín hiệu tín hiệu quan trọng để đảm bảo độ sâu điều chế, độ méo tín hiệu phạm vi cho phép • Trong kỹ thuật quang có phương pháp điều chế tín hiệu sau: Điều chế khoá dịch biên độ (ASK) hay điều chế đóng mở OOK, điều chế khoá dịch tần FSK, điều chế khoá dịch pha PSK, điều chế khoá dịch pha vi phân DPSK, điều chế phân cực PoLSK .3.6 Nguồn khuếch đại Nguồn khuếch đại, EDFAs khuếch đại bán dẫn (SOAs), sử dụng để nâng công suất phát nguồn Laser .4 Bộ thu Thiết bị thu quang (bộ thu quang) đóng vai trò quan trọng hệ thống thông tin quang, nơi mà thiết bị thu nhận đặc tính tác động toàn tuyến Thiết bị thu quang cần phải có độ nhạy cao, đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá thành hạ bảo đảm độ tin cậy cao Báo cáo tập lớn Page .4.1 Cơ chế thu quang Trên sở hiệu ứng quang điện trình hấp thụ ánh sáng chất bán dẫn Khi ánh sáng đập vào vật thể bán dẫn, điện tử vùng hóa trị chuyển dời tới vùng dẫn tác động xảy không thu kết mà có điện tử chuyển động xung quanh tái hợp trở lại với lỗ trống vùng hoá trị Do để biến đổi lượng quang thành điện ta phải tận dụng trạng thái mà lỗ trống điện tử chưa kịp tái hợp .4.2 Thiết bị thu tách sóng Trong quang vô tuyến thường hay dùng loại linh kiện tách sóng VCSELs, SiPIN, Si-APD, InGaAs loại có ưu nhược điểm khác tùy theo yêu cầu thiết kế mạng để lựa chọn .4.3 Hệ số chuyển đổi quang điện Hệ số chuyển đổi quang điện cho biết khả biển đổi công suất quang thành dòng điện .4.4 Tạp âm tách sóng quang Trong máy thu nói chung tỷ số S/N phần lớn định khối tách sóng tiền khuếch đại .4.5 Sự an toàn với mắt người Khi lắp đặt hệ thống thông tin quang vô tuyến, thiết bị phát tạo chùm laser vào khu vực có người sinh sống nên đảm bảo an toàn cho mắt người trở nên quan trọng Yêu cầu nhà thiết kế phải lựa chọn bước sóng an toàn .5 Kết luận chương Những vấn đề kỹ thuật trình bày chương cho thấy hệ thống FSO đời hoàn toàn dựa luận chứng khoa học lý thuyết xạ ánh sáng, hiệu ứng ánh sáng, truyền đẫn tín hiệu không gian Các kỹ thuật điều chế tin tức, giải điều chế tin tức, khuếch đại tín hiệu có độ tin tưởng cao phục vụ cho nhu cầu sử dụng thông tin người tiêu Báo cáo tập lớn Page CHƯƠNG III PHƯƠNG TRÌNH TRUYỀN SÓNG VÀ SUY HAO TÍN HIỆU TRONG MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG Giới thiệu chương Chương nêu đặc điểm đường truyền tín hiệu quang vô tuyến, đánh giá yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng tuyến quang vô tuyến, đánh giá điều kiện thời tiết cụ thể Các yếu tố ảnh hưởng tới đường truyền tuyến quang vô tuyến phương trình truyền sóng .2 Đặc điểm đường truyền tín hiệu quang vô tuyến 2.1 Truyền ánh sáng Tuyến FSO bao hàm truyền, hấp thụ tán xạ ánh sáng khí trái đất Khí tương tác với ánh sáng phụ thuộc vào thành phần không khí, điều 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 .2.2 Ảnh hưởng thay đổi không khí đến chất lượng tín hiệu Sự thay đổi tính chất không khí gây biến thiên cường độ tín hiệu theo không gian thời gian đầu thu Đánh giá yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng quang vô tuyến 3.1 Xét tượng theo lí thuyết truyền xạ điện 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 điểm môi trường Điều với tượng tán xạ Để có giải pháp cho vấn đề truyền xạ cần thiết phải biết nhiệt độ toàn thể tích thuộc tính vật lý điểm môi trường .3.2 Điều kiện để áp dụng lý thuyết truyền xạ (RTT) Sử dụng xấp xỉ quang hình học, bước sóng xạ điện từ nhỏ hệ số thay đổi tham số vi hệ thống Phép xấp xỉ cho phép sử dụng khái niệm chùm tia cho việc lan truyền sóng điện từ môi trường Báo cáo tập lớn Page 10 Tất trình tương tác điện từ đơn vị thể tích môi trường rút gọn thành ba hoạt động: hấp thụ, phát xạ tán xạ .3.3 Hoạt động tán xạ Nếu môi trường bao gồm hạt nhỏ không đồng nhất, xạ xuyên qua đường truyền bị phân tán hướng Những hạt hạt bụi, giọt nước .3.4 • • • Đánh giá chất lượng tuyến Khả sử dụng tuyến yếu tố then chốt xem xét lắp đặt hệ thống Độ tin cậy thiết bị Số liệu thống kê khí hậu, thời tiết tính toán độ 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 điều kiện đảm bảo chất lượng thông tin tỷ lệ lỗi bít BER, độ trễ tín hiệu… Phương trình truyền sóng 4.1 Phương trình truyền sóng Phương trình truyền hệ thống quang vô tuyến dạng đơn giản (bỏ qua hiệu suất quang máy phát, nhiễu máy thu…) nêu công thức sau: = (3.1) Trong đó: diện tích mặt máy thu(), góc phân kì chùm tia(radian), hệ số suy giảm không khí(1/km), công suất máy phát (W), hàm mũ số e tích hệ số suy giảm khoảng cách .4.2 Độ suy giảm tín hiệu không khí Tham số ảnh hưởng đến chất lượng đường truyền chủ yếu suy hao không khí Sự suy giảm công suất laser qua môi trường không khí định nghĩa theo định luật Beers-Lambert: = = (3.2) Trong đó: hàm truyền khoảng cách R, P(R) công suất R, P(0) công suất nguồn phát, σ hệ số suy giảm (1/Km) .4.3 Phương trình xạ vector xung Phương trình truyền xạ dạng vector là: Báo cáo tập lớn Page 11 S = -I(r,S) + I(r,) + J(r,S) (3.3) Các tham số để xây dựng tuyến thông tin quang vô tuyến 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 = + (3.4) Với suy hao hấp thụ mưa suy hao tán xạ nói chung (không kể ñến mưa) Để tính suy hao mưa gây ta dùng công thức CARBONNEAU sau: = 1,076 (dB/km) (3.5) 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 = .5.2 (3.6) Bài toán xây dựng kênh FSO Cho giá trị tốc độ 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 : = (10 - 25) dBm (3.7) • Tính toán suy hao mưa theo (3.5) suy hao dao tán xạ theo (3.6) LOSS = range + 10log10() • Tính công suất thu: = – LOSS • Dựa vào công thức: BER = erfc () • Tính độ nhạy máy thu : SNR = = (3.8) (3.9) (3.10) (3.11) Trong tham số biết: B độ rộng băng thông tùy thuộc vào tốc độ bít cho trước, tra bảng ta SNR, h số Planck, c vận tốc ánh sáng, bước sóng tùy chọn, hiệu suất lượng tử thu quang với tách sóng vật liệu CCD khoảng từ 30-90% Từ ta chọn công suất dự trữ , : + hệ thống hoạt động bình thường Báo cáo tập lớn Page 12 Vậy ta thứ tự thực bước giải toán tính toán xây dựng kênh thông tin vô tuyến theo yêu cầu tốc độ tín hiệu tỉ lệ lỗi bít BER cho trước .6 Kết luận chương Chương sở lý thuyết để xây dựng mạng thông tin quang vô tuyến Từ nghiên cứu nhiệt ñộ ngày, độ ẩm, sương mù, khói bụi để từ tính toán cụ thể nhà thiết kế mạng phải biết độ suy hao tín hiệu khoảng cách thiết kế để bù công suất, lựa chọn bước sóng cho phù hợp Báo cáo tập lớn Page 13 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Từ tính toán mô ta thấy khả mở rộng băng thông tuyến FSO cho yêu cầu tốc độ cao, đưa khuyến nghị lựa chọn tối ưu cho tuyến FSO điều kiện cụ thể Kết tính toán tìm thông số tốt tương ứng với bước sóng 1550 nm mang ý nghĩa thực tiễn cao mua thiết bị phát (Laser diode) hoạt động vùng bước sóng 1550 nm sẵn có thị trường sử dụng phổ biến hệ thống thông tin sợi quang, nghĩa giảm giá thành nâng cao độ tin cậy hệ thống FSO Do khả hạn chế điều kiện thời gian, kinh phí hạn chế nên nội dung báo cáo số vấn đề chưa thực : Tính toán mô hệ thống thông tin quang vô tuyến phần mềm Matlab, thực ghép nhiều kênh tuyến, có thiết bị cụ thể để thành lập tuyến thông tin quang vô tuyến Vậy chúng em hy vọng với cố gắng nhóm với giúp đỡ dẫn thầy cô bạn bè chúng em thực vấn đề thời gian gần Báo cáo tập lớn Page 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO "Optical fiber communication systems" tác giả Agrarwal "Thông tin quang" tác giả Vũ Văn San Slide giảng thông tin quang Nguồn internet Báo cáo tập lớn Page 15 ... ứng dụng quang vô tuyến, so sánh ưu nhược điểm 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 2.1 Lịch sử... triển hệ thống thông tin quang vô tuyến FSO Ra đời vào thập niên kỷ XX hệ thống thông tin quang vô tuyến với ưu điểm vượt trội băng thông rộng, tính linh hoạt hệ thống. v.v nhanh chóng đưa vào ứng... 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… 2.2 Đặc điểm hệ thống thông tin quang vô tuyến Hệ thống thông tin quang