Nghiên cứu đề xuất ứng dụng kỹ thuật RoF vào hệ thống thông tin phục vụ đường sắtNghiên cứu đề xuất ứng dụng kỹ thuật RoF vào hệ thống thông tin phục vụ đường sắtNghiên cứu đề xuất ứng dụng kỹ thuật RoF vào hệ thống thông tin phục vụ đường sắtNghiên cứu đề xuất ứng dụng kỹ thuật RoF vào hệ thống thông tin phục vụ đường sắtNghiên cứu đề xuất ứng dụng kỹ thuật RoF vào hệ thống thông tin phục vụ đường sắtNghiên cứu đề xuất ứng dụng kỹ thuật RoF vào hệ thống thông tin phục vụ đường sắtNghiên cứu đề xuất ứng dụng kỹ thuật RoF vào hệ thống thông tin phục vụ đường sắtNghiên cứu đề xuất ứng dụng kỹ thuật RoF vào hệ thống thông tin phục vụ đường sắtNghiên cứu đề xuất ứng dụng kỹ thuật RoF vào hệ thống thông tin phục vụ đường sắtNghiên cứu đề xuất ứng dụng kỹ thuật RoF vào hệ thống thông tin phục vụ đường sắtNghiên cứu đề xuất ứng dụng kỹ thuật RoF vào hệ thống thông tin phục vụ đường sắt
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG - - Trƣơng Tử Bình NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT ỨNG DỤNG KỸ THUẬT RoF VÀO HỆ THỐNG THÔNG TIN PHỤC VỤ ĐƢỜNG SẮT Chuyên ngành: Mã số: Kỹ thuật viễn thơng 8520208 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS ĐẶNG THẾ NGỌC Hà Nội 2018 Luận văn hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐẶNG THẾ NGỌC Phản biện 1: PGS.TS Đỗ Quốc Trinh – Học viện kỹ thuật quân Phản biện 2: TS Phạm Mạnh Lâm – Bộ thông tin truyền thông Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông Vào lúc: 09 30 phút ngày 06 tháng 01 năm 2018 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông MỞ ĐẦU Đường sắt phận kết cấu hạ tầng giao thơng nói chung, có vai trò quan trọng việc vận chuyển hàng hóa hành khách Hiện tồn tuyến đường sắt Việt Nam chưa có hệ thống kết nối riêng mặt đất với đoàn tàu, cơng tác điều hành chạy tàu hồn tồn sử dụng thơng tin tín hiệu mặt đất, hành khách tàu truy cập internet thơng qua mạng 3G Tuy nhiên, chất lượng Vì việc “Nghiên cứu đề xuất ứng dụng kỹ thuật truyền sóng vơ tuyến qua sợi quang RoF vào hệ thống thông tin phục vụ đường sắt” nhằm cung cấp dịch vụ internet tốc độ cao cho hành khách truyền tải thông tin giám sát, điều hành, huy chạy tàu cần thiết 2 Chƣơng - KỸ THUẬT TRUYỀN SĨNG VƠ TUYẾN QUA SỢI QUANG (RoF) 1.1 Giới thiệu hệ thống RoF Công nghệ truyền sóng vơ tuyến qua sợi quang RoF phương pháp truyền dẫn tín hiệu vơ tuyến điều chế sợi quang Công nghệ sử dụng tuyến quang có độ tuyến tính cao để truyền dẫn tín hiệu RF (analog) đến trạm thu phát Một hệ thống RoF có kiến trúc Hình 1.1 Hình 1.1 Mô tả truyền dẫn RoF [2] 1.2 Các thành phần tuyến quang sử dụng RoF 1.2.1 Mobile Host (MH): Đó thiết bị động mạng đóng vai trò thiết bị đầu cuối 1.2.2 Base Station (BS): Có nhiệm vụ phát sóng vô tuyến nhận từ CS đến MH, nhận sóng vơ tuyến nhận từ MH truyền CS 1.2.3 Central Station (CS): Là trạm xử lý trung tâm Tùy vào khả kỹ thuật RoF mà CS phục vụ BS xa hàng chục km, nên CS nối đến hàng ngàn BS 1.2.4 Sợi quang: Tuyến quang nối BS CS nhằm truyền dẫn tín hiệu chúng với 1.3 Đặc điểm hệ thống RoF 1.3.1 Kiến trúc mạng RoF Cáp quang Cáp quang Trạm trung tâm Trạm gốc Hình 1.2 CS – BS – MH microcell kiến trúc RoF Một tuyến RoF có kiến trúc (hình 1.2) bao gồm thành phần biến đổi sóng vơ tuyến sang quang, thành phần chuyển đổi quang thành sóng vơ tuyến Các thành phần thuộc kiến trúc RoF khơng có chức quang ăn-ten thu phát vô tuyến thuộc phần vô tuyến 1.3.2 Kỹ thuật truyền dẫn RoF Cáp quang Hình 1.3 Sử dụng phƣơng pháp điều chế với sóng mang quang [7] Hình vẽ 1.3 giới thiệu cách truyền sóng vơ tuyến sợi quang đơn giản Đầu tiên, tín hiệu liệu điều chế lên tần số vơ tuyến RF Tín hiệu tần số RF đưa vào điều chế (cường độ) sang dạng quang để truyền Ở đây, ta sử dụng phương pháp điều chế cường độ đơn giản điều chế trực tiếp 1.3.3 Các phương pháp điều chế lên tần số quang Có phương pháp để truyền dẫn tín hiệu RF sợi quang phương pháp điều chế cường độ là: (1) điều chế cường độ trực tiếp, (2) điều chế ngoài, (3) điều chế trộn nhiều ánh sang kết hợp(heterodyne) 1.3.4 Cấu hình tuyến RoF Có cấu hình tuyến thường sử dụng hình 1.4 Trên thực tế có nhiều cải tiến để hồn thiện cấu hình phù hợp với yêu cầu thực tế Điểm chung cấu hình ta thấy cấu trúc BS khơng có điều chế hay giải điều chế Chỉ có CS có thiết bị đó, nằm Radio modem BS có chức đơn giản để có cấu trúc đơn giản Trong mạng RoF, người ta sử dụng kỹ thuật sau để phát truyền dẫn sóng milimet tuyến quang: Điều chế trộn nhiều sóng quang; Điều chế ngoài; Kỹ thuật nâng hạ tần; Bộ thu phát quang Trạm trung tâm Đường xuống Trạm gốc Đường lên Trạm trung tâm Đường xuống Trạm gốc Đường lên Trạm trung tâm Đường xuống Trạm gốc Đường lên Trạm trung tâm Đường xuống Trạm gốc Đường lên Hình 1.4 Các cấu hình tuyến RoF [7] 1.3.5 Kỹ thuật điều chế trộn nhiều sóng quang (optical heterodyne) Trong kỹ thuật optical heterodyne, hai hay nhiều tín hiệu quang truyền đồng thời chúng có tính quan hệ với tới đầu thu Và số chúng kết hợp với (được gọi tích với nhau) tạo tín hiệu vơ tuyến ban đầu 5 Bộ kết hợp búp Tín hiệu quang thu đƣợc Mạch điện tử Bộ tách sóng ωLO Luồng bit Bộ dao động nội Hình 1.5 Sơ đồ khối kỹ thuật tách sóng hetorodyne 1.3.6 Bộ điều chế ngồi Như tìm hiểu phương pháp điều chế trực tiếp có nhược điểm sau đây: Băng thông bị hạn chế tần số laser diode Chirp tượng gây nên trải rộng xung ánh sáng Chirp vấn đề laser DFB nhân tố gây giới hạn tốc độ truyền tín hiệu Để tránh hai nhược điểm nói người ta sử dụng phương pháp điều chế Sơ đồ tổng qt điều chế ngồi cho hình vẽ Ánh sáng PD Laser Diode Mạch điều khiển Laser Bộ điều chế ngồi Điều chế Giao diện điện Thơng tin Hình 1.7 Sơ đồ khối điều chế ngồi Có loại điều chế sử dụng cách rộng rãi điều chế ngồi Match Zender điều chế ngồi xạ electron Hình 1.8 mơ tả cấu tạo điều chế Hình 1.8 a Cấu hình điều chế Mach-Zehnder LiNbO3, b.Bộ điều chế xạ electron bán dẫn [7] 1.3.7 Kỹ thuật nâng hạ tần IF RF Điều chế cân Lọc thơng dải RFocs Hình 1.10 Sơ đồ khối nâng tần Kỹ thuật nâng hạ tần giúp cho tín hiệu sợi quang có tần số IF miền điện Nhờ mà hạn chế tượng tán sắc ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng tín hiệu truyền tín hiệu tần số cao 1.3.8 Bộ thu phát quang Cấu trúc BS đơn giản thực với thu phát quang thu phát xạ electro Những thu phát vừa có chức chuyển đổi O/E tuyến downlink đồng thời chuyển đổi E/O cho tuyến uplink lúc (hình 1.11) Trạm trung tâm Dữ liệu Cáp quang Trạm gốc Dữ liệu Cáp quang Hình 1.11 Bộ thu phát xạ electron EAT mạng [7] 1.3.9 - Các đặc điểm quan trọng mạng RoF Các chức điều khiển ấn định kênh, điều chế, giải điều chế tập trung CS nhằm đơn giảm hóa cấu trúc BS - Các BS có chức chuyển đổi quang/điện, khuếch đại RF chuyển đổi điện quang - Kiến trúc mạng tập trung cho phép khả cấu hình tài ngun cấp băng thơng động (thành phần sử dụng băng thơng thành phần khác băng thơng thực rỗi) cho phép sử dụng băng thông hiệu Hơn nhờ tính tập trung nên khả nâng cấp quản lý mạng đơn giản 1.4 Một số ứng dụng kỹ thuật RoF 1.4.1 Mạng di động Với số lượng thuê bao di động ngừng tăng nhanh với nhu cầu ngày lớn dịch vụ băng rộng gây áp lực đòi hỏi mạng di động phải tăng thêm dung lượng Bởi vậy, lưu lượng di động (GSM, UMTS hay LTE) truyền dẫn cách hiệu CS BS cách tận dụng lợi ích sợi quang Các chức RoF khác phân bổ dung lượng động đem lại ích lợi hoạt động đáng kể mạng di động 1.4.2 Thông tin vệ tinh Thông tin vệ tinh ứng dụng thực tiễn kỹ thuật RoF, liên quan đến đầu xa antenna trạm mặt đất Hệ thống sử dụng tuyến sợi quang ngắn có chiều dài nhỏ 1km hoạt động tần số từ 1GHz đến 15GHz Bằng cách đó, thiết bị tần số cao lắp đặt cách tập trung Với việc sử dụng kỹ thuật RoF, anten không cần đặt vùng điều khiển mà chúng đặt cách xa nhiều km với nhiều mục đích khác 1.4.3 Các dịch vụ băng rộng di động Khái niệm dịch vụ hay hệ thống băng rộng di động (MBS) nhằm mở rộng dịch vụ có sẵn mạng số tích hợp dịch vụ băng rộng (B-ISDN) cố định tới tất người sử dụng di động Các dịch vụ tương lai phát triển mạng B-ISDN phải hỗ trợ hệ thống MBS Nếu công nghệ RoF sử dụng để tạo sóng mm trạm gốc đơn giản giảm chi phí, cách làm cho triển khai quy mô lớn mạng MBS thi mặt kinh tế 1.4.4 Mạng cục không dây (WLAN) Mạng WLAN băng tần 60GHz thực truyền từ BS (trạm trung tâm), tần số dao động ổn định IF với liệu truyền qua sợi quang Sau đó, tần số dao động sử dụng để chuyển đổi liệu lên sóng mm chuyển tiếp (RS-trạm đầu xa) Điều dẫn đến đơn giản hóa đáng kể chuyển tiếp đầu xa qua đem lại hiệu thiết kế trạm gốc 1.5 Kết luận chƣơng Chương trình bày vấn đề RoF như: khái niệm, thành phần hệ thống, ưu nhược điểm ứng dụng hệ thống: mạng tế bào, thông tin vệ tinh, mạng WLAN, mạng truyền thông cho phương tiện giao thơng CHƢƠNG 2: MẠNG TRUY NHẬP KHƠNG DÂY SỬ DỤNG CƠNG NGHỆ RoF 2.1 Mạng vơ tuyến di động dựa kỹ thuật RoF 1.5.1 Đa truy nhập lớp Trong mạng truy nhập vô tuyến sử dụng kỹ thuật RoF, lớp vật lý bao gồm lớp lớp vơ tuyến lớp quang phía Hình 2.1 mơ tả lớp quang vơ tuyến mạng MS Lớp vô tuyến Lớp quang sợi quang CS Hình 2.1 Mạng khơng dây đa truy nhập lớp Kỹ thuật đa truy nhập lớp quang đa dạng, sử dụng kỹ thuật FDMA, CDMA, TDMA, WDM… 1.5.2 Tính đa dịch vụ mạng RoF kết hợp kỹ thuật WDM Hiện nay, hầu hết mạng điều thiết kế để truyền tải cho dịch vụ nên độ linh hoạt mạng khơng cao Thứ băng thơng mạng chưa đủ lớn để phục vụ nhiều dịch vụ lúc Thứ hai loại dịch vụ khác có chuẩn khác Do vây áp dụng kỹ thuật WDM để sử dụng băng thông sợi quang hiệu 2.2 Truyền sóng vơ tuyến qua sợi quang WLAN Kỹ thuật RoF ứng dụng cho mạng WLAN ứng dụng hứa hẹn nhất, với BS thực chức đơn giản kết nối đến CS thông qua sợi quang, chức định tuyến xử lý tập trung CS 9 Đối với mạng WLAN, cấu trúc mạng cần đơn giản, thiết bị mạng sử dụng kỹ thuật đơn giản WLAN có đặc tính sau: (1) song công phân tần số (2) khả thay đổi kênh RF động Ứng dụng kỹ thuật RoF vào mạng WLAN hoạt động băng tần mm ứng dụng đơn giản kỹ thuật vào mạng truy nhập vô tuyến Với cự ly nhỏ, bán kính phủ sóng picocell khơng cần q lớn 2.3 Kỹ thuật RoF mạng truyền thông cho phƣơng tiện giao thông Hệ thống RVC sử dụng kỹ thuật RoF thể hình 2-7, BS kết nối liên tục đến số lượng BS thông qua sợi quang, BS loại phục vụ cho mạng RVC với tầm phủ sóng rộng đặc tính phù hợp mạng Mạng đƣờng trục Cáp quang CS: Trạm trung tâm BS: Trạm gốc Hình 2.7 Mạng RVC dựa kỹ thuật RoF [7] Hình 2.9 mơ tả VCZ bao gồm cell frame ấn định cho cell miền thời gian sử dụng kênh RF Điều cần nhấn mạnh chu kỳ khung i có trao đổi thơng tin BS i với CS thiết lập, BS VCZ phải điều khiển CS để tìm khung thời gian thích hợp 10 Đa khung Ơ1 Ơ2 Ô3 Vùng di động ảo Hình 2.9 Ấn định khung di chuyển [7] Mạng truyền thông Road Vehicle tương lai hoạt động băng tần mm để đạt tốc độ liệu cao (từ 2-10Mbps) Đặc tính mạng RVC bán kính cell tương đối nhỏ tính di động user cao, chế chuyển giao vấn đề quan trọng cần phải giải mạng 2.4 Kết luận chƣơng Trong chương này, tìm hiểu ứng dụng kỹ thuật RoF lên ba kiểu mạng truy nhập vô tuyến khác Với ứng dụng đầu, có bán kính nhỏ tính di động user cao, vấn đề quan trọng mạng quản lý tính động Vì vậy, làm rõ thêm giao thức MAC tích hợp khả chuyển giao nhanh đơn giản dùng cho kiến trúc tập trung để phù hợp với loại mạng Với kết trên, mạng truy nhập vơ tuyến băng rộng ứng dụng kỹ thuật RoF vấn đề khó khăn cần giải để cạnh tranh với mạng truy nhập vô tuyến ngày Tuy nhiên, với tìm hiểu RoF cơng nghệ hứa hẹn cho dịch vụ vô tuyến đa phương tiện băng rộng dung lượng lớn tương lai 11 CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT RoF VÀO HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐƢỜNG SẮT 1.5.3 Đặc điểm kỹ thuật nhu cầu mạng truyền thông đường sắt Đường sắt phương tiện vận chuyển hành khách bánh sắt có tốc độ trung bình cao, khối lượng vận chuyển lớn, có khả vận chuyển cự ly ngắn trung bình Hiện tồn tuyến đường sắt Việt Nam chưa có hệ thống kênh vơ tuyến để kết nối liệu từ trung tâm, ga, trạm mặt đất lên đoàn tàu, dịch vụ kết nối bao gồm liệu để huy điều hành chạy tàu, Camera giám sát hành trình, Internet băng thông rộng, IPTV… cho hành khách tàu Công tác điều hành chạy tàu hồn tồn sử dụng thơng tin tín hiệu mặt đất, hành khách tàu truy cập internet thơng qua mạng 3G, 4G nhà mạng cung cấp dịch vụ viễn thông Nhu cầu sử dụng kênh thông tin, liệu cho hành khách tàu công tác điều hành chạy tàu lớn: Các dịch vụ giải trí trực tuyến đồn tàu: TV, Internet, Game online… đến hàng trăm Mb/s đòi hỏi kết nối di động tốc độ cao (số lượng người sử dụng đồng thời cao, tính khoảng 30% người sử dụng/một đoàn tàu 900 hành khách) Yêu cầu hệ thống nghiệp vụ điều hành chạy tàu: Trong tương lai, qui hoạch ngành Đường sắt theo hướng sau: Phát triển hệ thống tàu điện ngầm; nâng khổ đường từ 1000mm lên 1435mm phát triển đường sắt đơi, tốc độ đồn tàu nâng lên (tàu tốc độ cao tàu cao tốc) Thiết bị tín hiệu nghiệp vụ phục vụ điều hành ĐSCT phải thực chức sau (hình 3.2): - Có kỹ thuật tự động hóa cao, thực việc giám sát, khống chế điều khiển thiết bị tín hiệu ga khu gian (Centralized Train Control-CTC); điều khiển giải thể, dồn lập chỉnh bị tàu Depo; - Giám sát, khống chế tốc độ tự động điều khiển đoàn tàu Hệ thống thiết bị tự động điều khiển đoàn tàu (Automatic Train Control –ATC) 12 Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống tín hiệu giao thơng bánh sắt cao tốc Từ trạng qui hoạch định hướng phát triển đường sắt tương lai Luận văn tập trung nghiên cứu giải pháp sử dụng kỹ thuật RoF nhằm xây dựng truyền thông dùng riêng cho ngành Đường sắt, thiết lập trạm gốc BS dọc đường sắt (Cellular trackside) để cung cấp dịch vụ đa phương tiện băng rộng cho hành khách tàu truyền tải thông tin nghiệp vụ điều hành chạy tàu minh họa hình 3.3 Hình 3.3 Ứng dụng kỹ thuật RoF vào hệ thống thông tin đƣờng sắt 1.5.4 Các cơng nghệ cung cấp đồn tàu Hiện hành khách tàu sử dụng dịch vụ mạng băng rộng thông qua mạng di động dọc đường sắt (trackide) nhà cung cấp mạng viễn thơng vệ tinh (Hình 3.4) Vệ tinh có số hạn chế, khoảng thời gian trễ cao (khoảng 500 đến 600 ms), [4] 13 Hình 3.4: Các công nghệ truyền thông đƣợc sử dụng dọc đƣờng sắt Cơng nghệ di động có số hạn chế: Tốc độ di chuyển cao, số lượng truy cập cục lớn, trạm phát sóng bị ảnh hưởng địa đồi núi, đèo, hầm… 1.5.5 Yêu cầu băng thơng cung cấp đồn tàu Để cung cấp dịch vụ có dung lượng cao cho người sử dụng tàu tốc độ cao, cần phải có cách tiếp cận phân cấp, bao gồm liên kết riêng đường sắt tàu, tàu với người sử dụng (Hình 3.6) Hình 3.6: Liên kết riêng đƣờng sắt tàu, tàu với ngƣời sử dụng Để ước tính tổng băng thơng cần thiết tàu, cần đặt giá trị số lượng người dùng Các chuyến tàu tốc độ cao thành phố với chở khoảng từ 750 đến 1000 hành khách, số đoàn tàu hai tầng chí trang bị đến 1500 ghế ngồi Trong cao điểm, sức chứa tàu gần chiếm hết 14 chỗ trống giả sử 10% hành khách muốn sử dụng truy cập băng thông rộng Như cần tổng băng thơng từ 375 đến 500 Mb/s, trí 750Mb/s cho đơi tàu Những số liệu tính riêng băng thông cho người dùng 5Mb/s, [4] 1.5.6 Mơ hình kiến trúc hệ thống thơng tin phục vụ đường sắt dựa RoF Hình 3.8 Mơ hình kiến trúc hệ thống thông tin phục vụ đƣờng sắt dựa RoF Bằng cách mơ phỏng, chứng minh hoạt động xác khái niệm di chuyển Hình 3.9: Thiết lập mơ để chứng minh khái niệm di chuyển [4] Thay mạng quang, hệ thống mô môi trường Ethernet (hình 3.9) Bằng cách kết nối trạm điều khiển RAU với hub switch cho tất nút địa MAC chuyên dụng, mơ sợi quang, qua trạm điều khiển gửi gói tin đến RAU cách riêng biệt Đặt ba khối RAU khoảng cách 200 m Mỗi khu vực có phạm vi phủ sóng 105 m, có diện tích chồng lên 10 m Sử dụng hai chuyến tàu, theo chiều ngược với tốc độ 40m/s (tương ứng ~ 144km/h) Đoàn tàu thứ RAU1 di chuyển đến RAU3 đoàn tàu thứ hai theo chiều ngược lại Một luồng kiểm tra Giao thức chuỗi liệu người dùng (UDP) gửi 15 hướng xuống hướng lên Lưu lượng UDP thể hình 3.10 Rõ ràng kết nối mạng không bị chuyển kết nối sang thành ăng-ten Ta nhận xét hai đỉnh mà hai tàu nằm khu vực chồng lấn, nơi lưu lượng bị bắt hai RAU gửi đến trạm điều khiển Ta thấy lưu lượng truy cập từ trạm điều khiển đến điểm dừng RAU1 gói tin từ RAU2 nhận Khi hai tàu nằm khu vực RAU2, lưu lượng truy cập cao gấp đôi Những kết mô cho thấy hoạt động xác khái niệm di chuyển ơ, theo tránh vấn đề chuyển giao truyền thống [4] Tổng lƣu lƣợng đến trạm trung tâm (CS) Tốc độ liệu (Mb/s) Lƣu lƣợng từ CS đến RAU1 (hoặc RAU3) Lƣu lƣợng từ CS đến RAU2 Thời gian (s) Hình 3.10: Thể kết mô hoạt động đắn khái niệm di chuyển [4] 1.5.7 Mơ hình kết hợp RoF WDM cho hệ thống thông tin phục vụ đường sắt Cùng sợi quang sử dụng cho tất RAU phạm vi trạm điều khiển cách sử dụng Đa phân chia Bước sóng (WDM), RAU kết hợp với bước sóng riêng Bằng cách định bước sóng cố định cho RAU, chuyển mạch hiệu BS định sang RAU khác, ví dụ hình 3.11[4] Trạm trung tâm Hình 3.11 Sự kết hợp truyền dẫn WDM RoF [4] 16 1.5.8 Phân tích đánh giá hiệu công suất tiêu thụ hệ thống Mạng RoF chuyển chức xử lý tín hiệu phức tạp từ ăng ten từ xa (RAUs) đến trạm điều khiển tập trung (CS) RAUs cần chuyển đổi tín hiệu quang sang tín hiệu vơ tuyến, truyền mà không cần phải xử lý thêm Bằng cách này, đặt thiết bị xử lý tín hiệu đắt tiền thơng minh trạm điều khiển chia sẻ nhiều RAUs [1], [6] 1.5.9 Công suất tiêu thụ hệ thống 1.5.10 Hệ thống di động Công suất tiêu thụ BS [6], Ptx _ BS P( BS ) p P P RF BB LNA PA (1 feed ) (1 DC ).(1 MS ).(1 cool ) (3.1) Trong P tổng công suất tiêu thụ BS, Ptx_BS công suất phát ăng ten, PRF, PBB, PLNA công suất tổn hao RF, baseband (BB), nhiễu, ηPA hiệu suất lượng PA, σfeed, σDC, σMS, σcool hệ số tổn hao, ăngten feeder, nguồn cấp điện DC-DC, nguồn cung cấp chính, thiết bị làm mát 1.5.11 Hệ thống WDM RoF DAS Tại trạm điều khiển, công suất bao gồm hai thành phần: phần RF phần quang Tổng công suất toàn hệ thống [6]: P( RoF DAS ) PCS N PRAU (3.7) 1.5.12 Đường truyền tần số vơ tuyến (RF) bán kính phủ sóng tế bào (cell) Hình 3.12 Bố trí BS/RAU dọc theo đƣờng ray Giả sử khoảng cách địa điểm D (độ dài ô mạng), bán kính R [6], R D (3.8) 17 Công suất thu, Prx Ptx Gt Lp AM Gr (3.9) Trong Ptx thể công suất máy phát BSs hay RAUs, Prx công suất đầu thu, Gt Gr ăng ten phát ăng ten thu, Lp đường dẫn bị tổn thất môi trường vật lý máy phát máy thu AM đại diện tất tổn thất suy giảm Bảng Loại địa hình theo mơ hình SUI Thơng số mơ hình Địa hình A Địa hình B Địa hình C a 4.6 4.0 3.6 b 0.0075 0.0065 0.005 c 12.6 17.1 20 1.5.13 Tốc độ truyền tối đa đạt đƣợc Với mục tiêu đạt tốc độ truyền tải tối đa cho Cell C, công suất phát u cầu tính cho trường hợp xấu (ở rìa cell) [6] Plength P ND (3.23) Trong trường hợp BS thông thường, N = 1, Đối với kịch hệ thống RoF DAS, N số RAUs vòng WDM, D chiều dài Cell 1.5.14 Hiệu suất lượng hệ thống Hiệu suất lượng mạng số quan trọng định nghĩa tỷ lệ tổng lưu lượng mạng đơn vị băng thông so với tổng tiêu thụ lượng mạng khoảng thời gian định (đơn vị: bit / Joule) [6] EE Ttot Ptot Trong Ttot tổng lưu lượng mạng Ptot tổng lượng điện tiêu thụ 1.5.15 Kết 3.1.1.1 Công suất tiêu thụ hệ thống WDM RoF DAS Các tham số mô liệt kê bảng 3.2 [6] (3.24) 18 Bảng 3.2 Các thông số BS thông thƣờng hệ thống DAS RoF đƣợc sử dụng để tính tốn mức tiêu thụ cơng suất Thơng số Đơn vị Giá trị Thông số Đơn vị Giá trị BS thông thƣờng RF W 12.9 BB W 29.6 DC-DC % 7.5 Cooling % 10 Main supply % Feeder loss dB -3 Trạm điều khiển RoF DAS Laser mW 140 MUX/DEMUX W 0.3 Photodiode mW 83 DC-DC % 7.5 Main supply % Cooling % 10 RF W 12.9 BB W 29.6 Anten PA (BS) % 31.1 PA (RAU) % 6.7 Cooling % Main supply % 11 BB % LNA mW 220 Laser mW 140 Photodiode mW 83 Băng thông MHZ Hệ số tạp âm dB Anten phát dBi 15 Anten thu dBi Cơng suất tiêu thụ/ chiều dài (mW/m) 19 dài Ơ (m) Hình 3.13 Cơng suấtChiều tiêu thụ hệ thống RoF DAS [6] với gia tăng khoảng cách Cell Các yêu cầu môi trường truyền dẫn dịch vụ tương tự Hình 3.13 Chúng ta quan sát chiều dài Cell tối ưu mà cơng suất hiệu cho trường hợp truyền dẫn Hiệu cơng suất tối đa khoảng 80×10-3 bits/Hz/joule 300×10-3 bits/Hz/joule thu lưu lượng chiều dài 20kb/s/m 100kb/s/m, tương ứng Hiệu suất công suất giảm mạnh chiều dài Cell nhỏ lớn mức tối ưu sử dụng Nó quan sát thấy từ biểu đồ hiệu công suất tối ưu trường hợp dung lượng cao lớn nhiều so với công suất thấp Điều thực tế, công suất lớn nhiều, công suất tiêu thụ yêu cầu cho hai trường hợp tương tự (67,3 mW/m 49,9 mW/m) thể hình 3.13 Từ định nghĩa hiệu cơng suất phương trình (3.24), hiệu suất cơng suất nhiều trường hợp dung lượng cao Điều có nghĩa công suất cần thiết cho bit truyền tỷ lệ nghịch với cơng suất truyền tải 3.1.1.2 Ví dụ thiết kế hệ thống RoF DAS Hình 3.17 Nâng cấp nhóm M BSs liên tục vào hệ thống RoF DAS [6] 20 Có hai thơng số quan trọng cần thiết để xác định thiết kế mạng lưới nâng cấp hiệu bao gồm: (1) Số BSs liên tiếp (M) cần nhóm lại nâng cấp lên hệ thống RoF DAS; (2) số RAUs (N) tham gia vào hệ thống Sơ đồ mạch việc nâng cấp thể hình 3.17 Bảng 3.3 So sánh hiệu suất công suất BS di động thông thƣờng hệ thống RoF DAS đƣợc nâng cấp [6] Thông số Công suất phát BS, RAU Vùng phủ sóng BS, RAU Số lượng BSs (M), RAUs (N) Công suất tiêu thụ Hiệu suất lượng Đơn vị Công suất phát lớn BS Macro RoF BS DAS Công suất phát tối ƣu BS Macro RoF BS DAS dBm 43 23,4 31,2 20,2 m 480 180 310 155 8 489,1 66,6 217,3 63,8 8,2×10-3 60×10-3 18,4×10-3 62,7×10-3 mW/m bits/Hz/ Joule 3.2 Kết luận chƣơng Trong chương này, phân tích làm rõ đặc thù, đặc điểm đường sắt kịch ứng dụng kỹ thuật RoF hệ thống thông tin đường sắt Nêu đặc điểm kỹ thuật nhu cầu mạng truyền thông đường sắt Đề xuất mô hình kiến trúc hệ thống thơng tin phục vụ đường sắt dựa RoF, kết hợp RoF WDM cho hệ thống thơng tin phục vụ đường sắt Phân tích đánh giá hiệu suất công suất tiêu thụ hệ thống 21 KẾT LUẬN Trong khuôn khổ luận văn, nội dung kỹ thuật RoF ứng dụng vào hệ thống thơng tin phục vụ đường sắt trình bày Chương khái quát chung kỹ thuật RoF Là kỹ thuật việc kết hợp sợi quang vô tuyến lai với Nội dung chương nêu lên phương pháp ứng dụng kỹ thuật RoF, ưu điểm cách cải tiến nhược điểm biện pháp khắc phục Tuy vấn đề tìm hiểu chưa nhiều mức chung cho kỹ thuật, làm rõ chất kỹ thuật RoF Chương ứng dụng kỹ thuật RoF vào mạng truy nhập vô tuyến, kết hợp mạng vô tuyến mạng tín hiệu quang, cụ thể là: Ứng dụng vào mạng vô tuyến di động, tuyến RoF kết nối point-to-point kết nối CS với BS sợi quang, số lượng BS nhiều lớp quang sử dụng cơng nghệ đa truy nhập, kỹ thuật đa dạng, sử dụng kỹ thuật FDMA, CDMA, TDMA, WDM…; Ứng dụng vào mạng WLAN băng tần mm, loại hình mạng mà tương lại phổ biến thay cho mạng WLAN WiFi; Ứng dụng vào mạng RVC, phần mạng thông minh, ứng dụng truy nhập vô tuyến cho thiết bị di chuyển tương lai ứng dụng điều khiển tự động Với kiến trúc dựa kỹ thuật RoF ứng dụng cho mạng thực Tuy nhiên để triền khai mạng thực tế nhiều vấn đề phải tiếp tục nghiên cứu phát triển tất lớp quang, lớp vô tuyến lớp mạng Chương 3, Tập trung phân tích đặc thù đường sắt kịch ứng dụng kỹ thuật RoF hệ thống thông tin phục vụ đường sắt Chương kết hợp kỹ thuật chương 1, lại để đưa cấu hình phân tích dựa công thức kết mô Những kết mơ cơng thức tình tốn cơng suất, hiệu suất giúp hiểu kỹ thuật truyền dẫn RoF RoF kỹ thuật hay để kết hợp truy nhập vơ tuyến truy nhập quang Nó kết hợp hai mơi trường lại với nhau, sợ quang vơ tuyến cách tương đối đơn giản để truyền tần số vơ tuyến (băng rộng) hay tín hiệu baseband sợi quang Nó sử dụng tuyến quang để truyền dẫn phân phối tín hiệu vơ tuyến CS số lượng lớn BS Ứng dụng kỹ thuật có đặc điểm quan trọng so với mạng truy nhập vơ tuyến thơng thường là: (1) suốt với băng thơng, kỹ thuật điều chế vô tuyến giao thức lớp vô tuyến, (2) BS đơn giản, nhỏ, (3) kiến trúc mạng tập trung Đây công nghệ phù hợp để triển khai cho ngành Đường sắt 22 Hƣớng phát triển đề tài Tìm hiểu sâu kỹ thuật ứng dụng hay tìm hiểu kỹ thuật ứng dụng kỹ thuật RoF đề cập tài liệu Tìm hiểu cấu hình mạng có sử dụng kỹ thuật RoF Mỗi cấu có ưu nhược điểm riêng ứng dụng phù hợp cho số loại mạng Các kết mô chứng minh cho kỹ thuật Hoặc tìm hiểu ứng dụng kỹ thuật RoF vào mạng truy nhập khác tìm hiểu sâu kỹ thuật mạng truy nhập để bổ sung cho ứng dụng mạng truy nhập Và kỹ thuật có nhiều ứng dụng thực tế ý nghĩa kỹ thuật lớn - ... điểm đường sắt kịch ứng dụng kỹ thuật RoF hệ thống thông tin đường sắt Nêu đặc điểm kỹ thuật nhu cầu mạng truyền thông đường sắt Đề xuất mơ hình kiến trúc hệ thống thơng tin phục vụ đường sắt. .. việc Nghiên cứu đề xuất ứng dụng kỹ thuật truyền sóng vơ tuyến qua sợi quang RoF vào hệ thống thông tin phục vụ đường sắt nhằm cung cấp dịch vụ internet tốc độ cao cho hành khách truyền tải thông. .. 11 CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT RoF VÀO HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐƢỜNG SẮT 1.5.3 Đặc điểm kỹ thuật nhu cầu mạng truyền thông đường sắt Đường sắt phương tiện vận chuyển hành khách bánh sắt có tốc độ