Phân Tích Truyền Thông Quang Vô Tuyến (FSO) Đa Chặng (có code)

Phân Tích Truyền Thông Quang Vô Tuyến (FSO) Đa Chặng (có code).............. Phân Tích Truyền Thông Quang Vô Tuyến (FSO) Đa Chặng (có code).............. Phân Tích Truyền Thông Quang Vô Tuyến (FSO) Đa Chặng (có code).............. Phân Tích Truyền Thông Quang Vô Tuyến (FSO) Đa Chặng (có code).............. Phân Tích Truyền Thông Quang Vô Tuyến (FSO) Đa Chặng (có code)..............

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP PHÂN TÍCH TRUYỀN THƠNG QUANG VƠ TUYẾN (FSO) ĐA CHẶNG MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ V DANH MỤC BẢNG BIỂU .VI DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VII CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY (FSO) 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.2 MƠ HÌNH HỆ THỐNG FSO 1.2.1 Bộ phát .1 1.2.2 Bộ thu .2 1.3 CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG FSO .3 1.3.1 Ưu điểm 1.3.2 Hạn chế 1.4 CÁC ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG FSO CHƯƠNG CÁC KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG FSO ĐA CHẶNG 2.1 2.1.1 2.1.2 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OOK VÀ PPM .5 Kỹ thuật điều chế OOK 2.1.1.1 OOK - NRZ (Non Return to Zero)……………………………….5 2.1.1.2 OOK - RZ (Return to Zero)………………………………………6 2.1.1.3 Hiệu suất lỗi kênh Gaussian…………………………… Kỹ thuật điều chế PPM………………………………………………………………10 2.1.2.1 2.2 Hiệu suất lỗi kênh gaussian…………………………….12 CÁC KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP QUANG…………………………………………… 13 2.2.1 Kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp quang OAF 13 2.2.2 Kỹ thuật tái tạo chuyển tiếp quang ORF 14 CHƯƠNG CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KÊNH TRUYỀN FSO ĐA CHẶNG 17 3.1 CÁC YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ THỐNG FSO: 17 3.1.1 Ảnh hưởng sương mù đến hệ thống 17 3.1.2 Ảnh hưởng mưa đến hệ thống 18 3.1.3 Ảnh hưởng tuyết đến hệ thống 18 3.1.4 Sự nhấp nháy ảnh hưởng đến hệ thống 19 3.1.5 Sự lệch hướng ảnh hưởng đến hệ thống 19 3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU CHẾ KẾT HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG 20 3.3 SUY HAO ĐƯỜNG TRUYỀN 20 3.3.1 Hấp thụ 21 3.3.2 Tán xạ 21 3.4 NHIỄU LOẠI KHÍ QUYỂN 23 3.4.1 Mơ hình nhiễu loạn log-normal .24 3.4.2 Mơ hình nhiễu loạn Gamma – Gamma 27 CHƯƠNG MƠ HÌNH KÊNH FSO ĐA CHẶNG .30 4.1 MƠ HÌNH PHÂN PHỐI CÁC NÚT CHUYỂN TIẾP 30 4.2 THƠNG SỐ MƠ HÌNH HỆ THỐNG 33 CHƯƠNG MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 35 5.1 ẢNH HƯỞNG CỦA SƯƠNG MÙ LÊN HỆ THỐNG 35 5.2 ẢNH HƯỞNG CỦA MƯA LÊN HỆ THỐNG .36 5.3 ẢNH HƯỞNG CỦA BƯỚC SÓNG LÊN HỆ THỐNG 37 5.4 ẢNH HƯỞNG CỦA TUYẾT LÊN HỆ THỐNG 38 5.5 TÁC ĐỘNG CỦA ĐIỀU CHẾ OOK VÀ PPM TRONG SƯƠNG MÙ LÊN HỆ THỐNG FSO ĐA CHẶNG 38 CHƯƠNG KẾT LUẬN, ỨNG DỤNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 PHỤ LỤC A 42 DANH MỤC CÁC HÌNH YHÌNH 1-1: HỆ THỐNG FSO HÌNH 2-1: ĐIỀU CHẾ OOK – NRZ HÌNH 2-2: ĐIỀU CHẾ OOK – RZ HÌNH 2-3: ĐIỀU CHẾ OOK – NRZ, OOK – NRZ, PPM 11 HÌNH 2-4: CÁC LOẠI LỖI TRONG ĐIỀU CHẾ PPM 12 HÌNH 2-5: MƠ HÌNH HỆ THỐNG FSO CHUYỂN TIẾP QUANG CHẶNG SỬ DỤNG OAF 13 HÌNH 2-6: CẤU TRÚC ĐIỂN HÌNH CỦA RELAY ORF 14 HÌNH 2-7: BỘ TÁCH QUANG 15 HÌNH 3-1: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO 17 HÌNH 3-2: KÊNH KHÍ QUYỂN VỚI CÁC XỐY LỐC HỖN LOẠN 24 HÌNH 4-1: MƠ HÌNH PHÂN PHỐI NODE 31 HÌNH 5-1: ẢNH HƯỞNG CỦA SƯƠNG MÙ 35 HÌNH 5-2: ẢNH HƯỞNG CỦA MƯA .36 HÌNH 5-3: ẢNH HƯỞNG CỦA BƯỚC SÓNG 37 HÌNH 5-4: ẢNH HƯỞNG CỦA TUYẾT 38 HÌNH 5-5: TÁC ĐỘNG CỦA ĐIỀU CHẾ OOK VÀ PPM TRONG SƯƠNG MÙ 39 DANH MỤC BẢNG BI Y BẢNG 1-1: BỘ TÁCH SÓNG FSO BẢNG 3-1: BÁN KÍNH VÀ CÁC LOẠI TÁN XẠ CỦA CÁC LOẠI HẠT ĐIỂN HÌNH 21 BẢNG 3-2: ĐIỀU KIỆN THỜI TIẾT VÀ CÁC GIÁ TRỊ TẦM NHÌN 22 BẢNG 4-1: CÁC THÔNG SỐ MÔ PHỎNG 33 BẢNG 4-2: THÔNG SỐ MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA SƯƠNG MÙ LÊN HỆ THỐNG FSO ĐA CHẶNG .34 BẢNG 4-3: THÔNG SỐ MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA MƯA LÊN HỆ THỐNG FSO ĐA CHẶNG .34 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT FSO Free-Space Optical OAF Optical Amplify-and-Forward ORF Optical Regenerate-and-Forward OOK - NRZ On-Off Keying Non Return to Zero OOK – RZ On-Off Keying Return to Zero PPM Pulse-Position Modulation ITU-R ITU Radiocommunication Sector ITU International Telecommunication Union MAN Metropolitan Area Network BPF Optical Band pass Filter NL Nonlinear IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers LAN Local Area Network BER Bit Error Rate PD Photodiode ML Maximum Likelihood AWGN Additive White Gaussian Noise PSD Power Spectral Densities IID Identically Distributed ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 1/54 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY (FSO) 1.1 Giới thiệu chung FSO ( Free-Space Optical) công nghệ viễn thông sử dụng truyền lan ánh sáng khơng khí để truyền tín hiệu hai điểm Đây cơng nghệ truyền thơng băng rộng tầm nhìn thẳng Trong đó, tín hiệu quang thay truyền sợi quang phát búp sóng quang qua không gian Một tuyến FSO bao gồm: thu-phát quang (gồm khối thu khối phát) cung cấp khả thông tin hai chiều, đặt tầm nhìn thẳng Thơng thường, thu phát gắn tòa - Tại khối phát quang: sử dụng nguồn quang thấu kính để phát tín hiệu quang qua khơng gian tới khối thu - Tại phía thu: thấu kính khác sử dụng để thu tín hiệu, thấu kính nối với khối thu có độ nhạy cao qua sợi quang 1.2 Mơ hình hệ thống FSO Hệ thống FSO gồm ba phần: phát, kênh truyền thu hình 1-1 1.2.1 Bộ phát Điều chế liệu gốc thành tín hiệu quang sau truyền qua không gian tới thu Phương thức điều chế sử dụng rộng rãi phát điều chế cường độ (IM) điều chế ngồi, cường độ phát xạ nguồn quang điều chế số liệu cần truyền Việc điều chế thực thông qua việc thay đổi trực tiếp cường độ nguồn quang phát thông qua điều chế giao thoa Match-Zehnder Phân Tích Truyền Thơng Quang Vơ Tuyến (FSO) Đa Chặng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 2/54 Bộ phát Phát tín hiệu Kênh vô tuyến Hấp thụ Nhiễu loạn Tán xạ Nguồn quang Nhiễu xạ Mạch điều khiển Số liệu Bộ thu Thu tín hiệu Lọc tín hiệu quang Bộ tách sóng quang Bộ điều chế Xử lý khơi phục liệu Số liệu Hình 1-1: Hệ thống FSO[6] 1.2.2 Bộ thu Bộ thu hỗ trợ việc khôi phục liệu phát từ phía phát Bao gồm thành phần sau: - Khẩu độ thu: tập hợp tập trung phát xạ quang tới tách sóng quang Khẩu độ (độ mở) thu lớn giúp tập hợp nhiều phát xạ quang vào tách sóng quang - Bộ lọc thơng dải quang: lọc thông dải làm giảm lượng xạ - Bộ tách sóng quang: PIN APD chuyển đổi trường quang đến thành tín hiệu điện Các tách sóng quang thường dùng hệ thống truyền thơng quang tóm tắt bảng 1.1 Phân Tích Truyền Thơng Quang Vơ Tuyến (FSO) Đa Chặng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 3/54 - Mạch xử lý tín hiệu: có chức khuếch đại, lọc xử lý tín hiệu để đảm bảo tính xác cao liệu khôi phục Bảng 1-1: Bộ tách sóng FSO[6] Vật liệu/cấu trúc Bước sóng (nm) Đáp ứng Độ lợi Silicon PIN Silicon PIN, với 300 - 1100 300 – 1100 0.5 0.5 1 1000 – 1700 400 – 1000 0.9 77 150 khuyếch đại phối hợp trở kháng InGaAs PIN Silicon APD 1.3 Các đặc điểm hệ thống FSO 1.3.1 Ưu điểm - Băng thơng điều chế rộng; - Búp sóng hẹp: phát xạ quang có búp sóng hẹp, khoảng 0.01 – 0.1mrad; Điều cho thấy công suất phát tập trung vùng hẹp; - Không yêu cầu cấp phép phổ tần; - Triển khai nhanh chóng (triển khai vài giờ); - Khơng bị ảnh hưởng nhiễu điện từ; - Không giống hệ thống có dây, FSO hệ thống khơng cố định thu hồi tài sản, tái triển khai chuyển dịch; - Phát xạ phải nằm giới hạn an toàn quy định; - Trọng lượng nhẹ nhỏ gọn; tiêu thụ điện thấp; yêu cầu tầm nhìn thẳng liên kết chặt chẽ kết việc búp sóng hẹp 1.3.2 Hạn chế Hạn chế hệ thống FSO chủ yếu mơi trường truyền dẫn gây Ngồi việc tuyết mưa làm cản trở đường truyền quang, FSO chịu ảnh hưởng mạnh sương mù nhiễu loạn khơng khí Phân Tích Truyền Thông Quang Vô Tuyến (FSO) Đa Chặng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 40/54 CHƯƠNG KẾT LUẬN, ỨNG DỤNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trong đồ án này, giới thiệu cấu tạo, ưu nhược điểm, hai kỹ thuật điều chế yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống FSO Về mô phỏng, tập trung vào xác suất cô lập nút mạng FSO nối tiếp, với máy thu phát đặt đường dẫn cho trước, chủ yếu ảnh hưởng thời tiết Từ phân tích cụ thể yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống Các trường hợp thiết kế thích hợp trình bày nhằm tương tác số nút yêu cầu, độ dài khoảng thời gian dịch vụ thơng số điều kiện thời tiết (tầm nhìn, lượng mưa, tuyết rơi) để đạt Piso ≈ tốt Nhờ ưu điểm như: tốc độ cao, chi phí hiệu quả, khơng u cầu cấp phép tần số, triển khai nhanh linh hoạt nên truyền thông quang không dây xem giải pháp hứa hẹn thay cho kết nối vô tuyến băng rộng Với nhà cung cấp mạng đô thị MAN (Metropolitan Area Network) vấn đề dặm cuối (last mile) làm khó nhà cung cấp dịch vụ băng thơng rộng, FSO giải vấn đề cho phép khách hàng truy cập vào mạng MAN tốc độ cao Hướng phát triển: - Sử dụng tỷ lệ lỗi bit (BER) làm số hiệu tiêu chuẩn để để đánh giá hiệu suất hệ thống FSO - Nghiên cứu phát triển sâu hai kỹ thuật chuyển tiếp quang: khuyếch đại chuyển tiếp (OAF), tái tạo chuyển tiếp (ORF) - Hiệu suất hệ thống FSO đa chặng phân tích khơng có mặt hay mờ nhạt gây nhiễu loạn khí yếu Việc thực liên kết FSO phụ thuộc vào điều kiện thời tiết phân tích hiệu suất hệ thống FSO đa chặng với điều kiện nhiễu loạn khác cách tiếp cận thú vị cho hướng phát triển tương lai Mặt khác, hiệu suất hệ thống phân tích với mức lượng xung quanh khác độ nhận độ sáng xung quanh thay đổi ngày cho vị trí khác Phân Tích Truyền Thơng Quang Vơ Tuyến (FSO) Đa Chặng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 41/54 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh: [1] Alexander Vavoulas, Harilaos G Sandalidis, and Dimitris Varoutas, “Weather Effects on FSO Network Connectivity”, in J OPT COMMUN NETW./VOL 4, NO 10/OCTOBER 2012 [2] All – Optical Multihop Free – Space Optical Communication Systems, by Shabnam Kazemlou, October 2010 [3] “Optical Wireless Communications, System and Channel Modelling with MATLAB”, by Z Ghassemlooy, W Popoola, S Rajbhandari [4] “Multihop Free-Space Optical Communications Over Strong Turbulence Channels”, by Theodoros A Tsiftsis, Harilaos G Sandalidis, George K Karagiannidis, and Nikos C Sagias [5] Majid Safari, Student Member, IEEE, and Murat Uysal, Senior Member, IEEE, “Relay-Assisted Free-Space Optical Communication”, in IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESS COMMUNICATIONS, Vol 7, No 12, December 2008 Tiếng Việt: [6] Nghiên cứu giải pháp cải thiện hiệu hệ thống truyền thông quang khơng dây, TS Phạm Thị Thúy Hiền Phân Tích Truyền Thông Quang Vô Tuyến (FSO) Đa Chặng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 42/54 Phụ lục A Ảnh hưởng thời tiết sương mù lên hệ thống FSO đa chặng clear all close all clc l=50 ;%chieu dai khao sat (km) v1=5;v2=2;v3=1; %tam nhin (km) v4=0.5;v5=0.2;v6=0.05; bs= 780; bs0=550; %buoc song (nm) Pkct=5; %phan ky chum tia (mrad) Pt=80; %cong suat phat (mW) Pr=2*10^-3; %cong suat thu (mW) Ar=1; %Ar khu vuc hieu dung %n=1:1:500; %so luong diem thu phat n =linspace(1,500); c=5; %tinh q1 if (v1>50) q1=1.6; end if (v1>6 & v16 & v16 & v36 & v46 & v56 & v66 & v16 & v16 & v1