Hệ thống MMW rof hai hướng sử dụng kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp

Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MMW/ROF 11 1.1 Giới thiệu chung 11 1.1.1 Khái niệm bước sóng millimet 11 1.1.2 Đặc tính bước sóng millimet 12 1.1.3 Ứng dụng sóng millimet vào hệ thống RoF 13 1.2 Khái niệm hệ thống RoF 15 1.3 Cấu hình hệ thống RoF 17 1.3.1 Các thành phần tuyến RoF 17 1.3.2 Hoạt động hệ thống MMW/RoF 24 1.4 Ưu nhược điểm hệ thống MMW/RoF 25 1.4.1 Ưu điểm hệ thống 25 1.4.2 Nhược điểm hệ thống 27 1.5 Các ứng dụng hệ thống MMW/RoF 28 1.5.1 Ứng dụng cho mạng WLAN 29 1.5.2 Ứng dụng cho mạng RVC 30 1.5.3 Ứng dụng cho mạng truy nhập vô tuyến ngoại ô, nông thôn 32 1.5.4 Ứng dụng cho mạng Backhaul 34 1.5.5 Ứng dụng cho mạng di động tế bào 35 1.6 Kết luận chương 36 CHƯƠNG II: HỆ THỐNG MMW/ROF HAI HƯỚNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP 37 2.1 Giới thiệu chung 37 2.2 Tổng quan kỹ thuật chuyển tiếp 37 2.3 Các phương pháp chuyển tiếp 39 Đào Việt Hưng – B13DCVT024 Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục 2.3.1 Chuyển tiếp truyền thống 39 2.3.2 Nén chuyển tiếp (Compress-and-Forward) 40 2.3.3 Giải mã hóa chuyển tiếp (Decode-and-Foward) 43 2.3.4 Khuếch đại chuyển tiếp (Amplify-and-Foward) 45 2.4 Hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp .47 2.4.1 Cấu tạo hệ thống 48 2.4.2 Nguyên lý hoạt động 49 2.5 Kết luận chương 51 CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG MMW/ROF HAI HƯỚNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP 52 3.1 Giới thiệu chung 52 3.2 Mơ hình hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật AF 52 3.3 Phân tích hiệu hệ thống 53 3.3.1 Hệ số kênh truyền 53 3.3.2 SNR đường xuống 54 3.3.3 SNR đường lên 55 3.3.4 Thông lượng hệ thống 56 3.4 Các kết đánh giá 58 3.4.1 Lựa chọn tham số 58 3.4.2 Kết mô 59 3.5 Kết luận chương 62 KẾT LUẬN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 Đào Việt Hưng – B13DCVT024 Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Tần số bước sóng MMW so với tần số sử dụng 12 Hình 1.2: Hấp thụ khí trung bình với sóng MMW mực nước biển 12 Hình 1.3: Khái niệm hệ thống RoF 15 Hình 1.4: Hệ thống quang – vơ tuyến 900 MHz 16 Hình 1.5: Kiến trúc chung hệ thống RoF 17 Hình 1.6: Cấu tạo Laser Diode 19 Hình 1.7: Bộ điều chế Mach-Zehnder 21 Hình 1.8: Cấu tạo sợi quang 22 Hình 1.9: Hoạt động hệ thống MMW/RoF 24 Hình 1.10: Kiến trúc mạng WLAN sử dụng MMW/RoF 30 Hình 1.11: Mạng RVC sử dụng MMW/RoF 31 Hình 1.12: Kiến trúc mạng MMW/RoF bao gồm K TRX N trạm BS 33 Hình 1.13: Ứng dụng hệ thống MMW/RoF vào mạng Backhaul 34 Hình 2.1: Minh họa kỹ thuật chuyển tiếp 37 Hình 2.2: Chuyển tiếp loại I loại II 38 Hình 2.3: Chuyển tiếp truyền thống 39 Hình 2.4: Chuyển tiếp Compress-and-Forward 41 Hình 2.5: Chuyển tiếp Decode-and-Forward 43 Hình 2.6: Chuyển tiếp Amplify-and-Forward 45 Hình 2.7: Sơ đồ truyền dẫn chuyển tiếp hai hướng AF 46 Hình 2.8: Hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật AF 48 Hình 2.9: Sơ đồ truyền dẫn hệ thống 49 Hình 3.1: Mơ hình hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật AF 52 Hình 3.2: Khảo sát thơng lượng chuẩn hóa hệ thống theo công suất phát quang CS RAU ba loại chuyển tiếp: truyền thống, DF AF 59 Hình 3.3: Khảo sát thơng lượng chuẩn hóa hệ thống theo cơng suất phát quang công suất phát vô tuyến chuyển tiếp AF 60 Hình 3.4: Thơng lượng chuẩn hóa theo khoảng cách vơ tuyến hệ thống sử dụng chuyển tiếp AF 61 Đào Việt Hưng – B13DCVT024 Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục bảng biểu DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Sơ đồ truyền tải hệ thống 51 Bảng 3.1: Bảng lựa chọn tham số 59 Đào Việt Hưng – B13DCVT024 Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục từ viết tắt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt ASF Amplify-and-Forward Khuếch đại chuyển tiếp BB Base Band Băng tần sơ cở BS Base Station Trạm gốc BEP Bit Error Probability Xác suất lỗi bit BER Bit Error Rate Tỉ số lỗi bit BWAN Broadband Wireless Access Network Mạng truy nhập vô tuyến băng rộng CF Compress-and-Forward Nén chuyển tiếp CN Core Network Mạng lõi CS Central Station Trạm trung tâm DSF Decode-and-Forward Giải mã hóa chuyển tiếp DR Dynamic Range Dải động EHF Extremely High Frequency Tần số siêu cao FS Frequency Switch Chuyển mạch tần số IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Viện kĩ sư điện điện tử IF Intermediate Frequency Tần số trung tần ITS Intelligent Transportation System Hệ thống truyền tải thông minh LD Laser Diode Điốt Laze LNA Low Noiser Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm nhỏ MH Mobile Host Thiết bị di động MAC Media Access Control Kiểm sốt truy cập truyền thơng Đào Việt Hưng – B13DCVT024 Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục từ viết tắt Từ viết tắt Từ tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt MMW Millimeter-wave Bước sóng millimet MMF Multi-mode Fiber Sợi đa mode MT Mobile Terminal Thiết bị đầu cuối di động MU Mobile User Người dùng di động MZM Mach-Zehnder Modulator Bộ điều chế Mach-Zehnder NF Noise Figure Hệ số tạp âm NT Network Trunk Mạng trung kế ODN Optical Distribution Network Mạng phân bố quang OF Optical Fiber Sợi quang OFM Orthogonal Frequency Multiplexing Ghép kênh theo tần số PD Photodiode Điốt quang PEP Packet Error Probability Xác suất lỗi gói tin POF Plastic Optical Fiber Sợi quang chất dẻo QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RAP Radio Access Point Điểm truy nhập vô tuyến RAU Remote Antenna Unit Khối anten từ xa RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RIN Relative Intensity Noise Nhiễu cường độ tương đối RoF Radio-over-Fiber Kĩ thuật truyền sóng vô tuyến sợi quang RN Remote Node Node trung gian RRH Remote Radio Head Đầu vô tuyến từ xa Đào Việt Hưng – B13DCVT024 Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục từ viết tắt Từ viết tắt Từ tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt RVC Road Vehicle Communication Truyền thông phương tiện giao thông đường TRX Transceiver Bộ thu phát SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu nhiễu SMF Single-mode Fiber Sợi quang đơn mode UE User Equipment Thiết bị người dùng Đào Việt Hưng – B13DCVT024 Đồ án tốt nghiệp đại học Lời mở đầu LỜI MỞ ĐẦU Thế kỉ thứ XXI thời kì bùng nổ khoa học kĩ thuật cơng nghệ Với nhu cầu trao đổi thông tin khổng lồ người, đòi hỏi khơng ngừng nghiên cứu phát triển giải pháp kĩ thuật để ứng dụng truyền dẫn vô tuyến Như biết, ngày yêu cầu mạng lưới viễn thông lên tới Tb/s, nguồn tài nguyên băng thơng truyền tải cạn kiệt việc đời mạng truyền dẫn quang với băng thông gần vô hạn phần đáp ứng nhu cầu Đối với ý tưởng khoa học đưa cần phải nhiều thời gian nghiên cứu triển khai thực tế Vì vậy, ý tưởng dùng ánh sáng để truyền tin đời sớm tới năm cuối kỉ XX, hệ thống thông tin quang đầu tiến triển khai để thương mại hóa Trong thời gian ngắn, công nghệ quang phát triển mạnh mẽ kéo theo hệ thống truyền dẫn quang thực thể khả đáp ứng ưu việt Chính thế, sợi quang sử dụng trở nên phổ biến gần chiếm trọn hệ thống truyền dẫn ngày Tuy có nhược điểm định lắp đặt, bảo dưỡng giá thành sợi quang thiết bị kèm đắt so với cáp đồng với băng thông lớn sợi quang khơng có mơi trường so sánh Vì vậy, sợi quang xem sở để triển khai mạng băng thơng rộng mà ta có thấy mạng đường trục, FTTx… ứng dụng sợi quang ngày nhiều Mạng truy nhập nút cuối mạng viễn thông, thành phần giao tiếp với người trình đưa dịch vụ tới người sử dụng cuối thành phần tất yếu mạng Việc yêu cầu đưa phương pháp để đạt mạng truy nhập vô tuyến băng thông rộng kết hợp với kỹ thuật truy nhập sợi quang, với ưu điểm băng thông lớn cự ly xa Một kết hợp kỹ thuật truyền tín hiệu vơ tuyến qua sợi quang (Radio-over-Fiber), kỹ thuật mà coi tảng cho mạng truy nhập không dây băng thông rộng tương lai Tuy kỹ thuật RoF giai đoạn nghiên cứu, tìm hiểu nguyên lý, ưu nhược điểm hệ thống kịch ứng dụng mạng viễn thơng kết mà mạng lại khả quan Điển hình, tháng năm 2012, AT&T phát Đào Việt Hưng – B13DCVT024 Đồ án tốt nghiệp đại học Lời mở đầu triển 3000 hệ thống RoF Mỹ nơi sân vận động, trung tâm mua sắm, bên tòa nhà Do vậy, thời gian kì vọng kỹ thuật RoF triển khai rộng thương mại hóa Hiện nay, kỹ thuật RoF kết hợp với bước sóng millimet (millimeterwave) giúp ta sử dụng hiệu tần số tái sử dụng phổ tần cách hiệu Giải vấn đề thiếu hụt tài nguyên băng thông phát triển mạnh mẽ Internet, yêu cầu truyền thơng tồn cầu ngày tăng lên đáng kể với ứng dụng băng thông rộng video hội nghị, video theo yêu cầu (VoD) hay HDTV… Và để tối ưu hóa lưu lượng hệ thống, kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp (Amplify-and-Forward) áp dụng vào hệ thống Vì vậy, đồ án này, em tìm hiểu hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp Nội dung đồ án gồm ba phần: Chương I: Tổng quan hệ thống MMW/RoF Chương trình bày khái niệm hệ thống RoF, khái niệm bước sóng millimet, ứng dụng bước sóng millimet vào hệ thống RoF, thành phần hệ thống, cách cấu hình tuyến RoF, đồng thời phân tích đặc điểm hệ thống MMW/RoF Cuối chương ứng dụng hệ thống sống tương lai Chương II: Hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật AF Chương đưa lí cần dùng kỹ thuật chuyển tiếp mạng di động, sau trình bày kỹ thuật chuyển tiếp chuyển tiếp truyền thống, nén chuyển tiếp (Compress-and-Forward), giải mã hóa chuyển tiếp (Decode-and-Forward), khuếch đại chuyển tiếp (Amplify-and-Forward); sau trình bày hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp nguyên lý hoạt động hệ thống, Chương III: Phân tích hiệu hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật AF Chương đưa cấu trúc, mơ hình hệ thống, phân tích hiệu hệ thống thơng qua biểu thức tính tốn, sau đưa kết đánh giá mô hệ thống phần mềm Matlab Đào Việt Hưng – B13DCVT024 Đồ án tốt nghiệp đại học Lời mở đầu Dưới quan tâm, giúp đỡ, bảo tận tình làm đồ án cung cấp tài liệu Cô giáo ThS Phạm Anh Thư, đồ án hoàn thành với nội dung đăng ký mức độ phạm vi định Tuy nhiên, trình độ thời gian có hạn nên đồ án khơng tránh khỏi có sai sót, kính mong thầy giáo bạn đọc đóng góp ý kiến giúp đồ án hoàn thiện định hướng cho nghiên cứu Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Cô giáo ThS Phạm Anh Thư, người trực tiếp định hướng em lựa chọn đề tài đồng thời người tận tình hướng dẫn em suốt q trình thực hồn thành đồ án Đào Việt Hưng – B13DCVT024 10 Đồ án tốt nghiệp đại học Khe thời gian A đến R 𝑥𝐴 (1) Chương II: Hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp 𝑥𝐴 (3) B đến R 𝑥𝐵 (2) R đến B 𝑥𝐴 (5) 𝑡(5) 𝑡(4) … 𝟐𝒊 − 𝟏 … 𝑥𝐴 (2𝑖 − 1) 𝑥𝐵 (6) … 𝑥𝐵 (4) 𝑡(3) R đến A … 𝑡(2𝑖 − 1) 𝑡(6) … 𝟐𝒊 … … 𝑥𝐵 (2𝑖) … … 𝑡(2𝑖) … Bảng 2.1: Sơ đồ truyền tải hệ thống Đối với việc phát thu tín hiệu tần số chế độ full-duplex, thực tế chịu ảnh hưởng mức độ nhiễu đáng kể rỏ rì tín hiệu việc phát thu RAU Mặc dù giảm nhiễu cách sử dụng anten phát thu riêng, với kỹ thuật khử nhiễu, nhiễu vòng lặp khơng thể tránh khỏi có ảnh hưởng định đến hiệu suất hệ thống 2.5 Kết luận chương Chương II đưa lý cần sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp mạng truyền thông, đồng thời giới thiệu kỹ thuật chuyển tiếp chuyển tiếp truyền thống, nén chuyển tiếp, giải mã hóa chuyển tiếp, khuếch đại chuyển tiếp; sau mơ tả cấu tạo nguyên lý hoạt động hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp Chương phân tích hiệu hệ thống, xây dựng biểu thức tính tốn thơng lượng hệ thống, sau đưa kết đánh giá mô hệ thống phần mềm Matlab Đào Việt Hưng – B13DCVT024 51 Chương III: Phân tích hiệu hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp Đồ án tốt nghiệp đại học CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG MMW/ROF HAI HƯỚNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP 3.1 Giới thiệu chung Chương đưa mơ hình cấu trúc cụ thể hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật AF, sau phân tích, đánh giá hiệu hệ thống đưa kết mô phỏng, đồng thời xây dựng biểu thức tính tốn thơng lượng hệ thống dựa tỷ số tín hiệu nhiễu (SNR) đường lên (𝛾𝑢 ) đường xuống (𝛾𝑑 ) Sau đó, thực mơ tính tốn thơng lượng chuẩn hóa so với cơng suất phát quang với tham số định phần mềm Matlab Sau phân tích đánh giá tồn diện hiệu hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật AF, đồng thời so sánh với hệ thống sử dụng chuyển tiếp khác, từ thấy hệ thống đem lại khả cung cấp thông lượng cao số kỹ thuật chuyển tiếp, đồng thời chứng minh tính khả thi hệ thống 3.2 Mơ hình hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật AF Hình 3.1: Mơ hình hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật AF [14] Đào Việt Hưng – B13DCVT024 52 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương III: Phân tích hiệu hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp Trong khe thời gian thứ nhất, tín hiệu đường lên MMW từ RRH (𝑆𝑅𝑅𝐻 ) gửi tới RAU liên kết MMW Cùng lúc đó, tín hiệu đường xuống MMW (𝑆𝐶𝑆 ) điều chế quang điều chế MZM1, sau truyền tới RAU liên kết sợi quang RAU khuếch đại kết hợp hai tín hiệu 𝑆𝑅𝑅𝐻 𝑆𝐶𝑆 lại, sau phát tín hiệu hỗn hợp (𝑆𝑅𝐴𝑈 ) quay trở lại CS RRH khe thời gian thứ hai Tín hiệu hỗn hợp truyền tới RRH liên kết MMW, đồng thời điều chế quang điều chế MZM2, sau gửi tới CS liên kết sợi quang Tại RRH, tín hiệu 𝑆𝐶𝑆 từ CS tách cách loại bỏ tín hiệu 𝑆𝑅𝑅𝐻 khỏi tín hiệu hỗn hợp 𝑆𝑅𝐴𝑈 Tương tự, CS tách tín hiệu 𝑆𝑅𝑅𝐻 cách loại bỏ tín hiệu 𝑆𝐶𝑆 khỏi tín hiệu hỗn hợp 𝑆𝑅𝐴𝑈 Hiệu mơ hình hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp nêu đánh giá thông qua việc xét thơng lượng hệ thống Q trình đánh giá thực cách xây dựng biểu thức tính tốn tỉ số tín hiệu nhiễu (SNR) đường xuống đường lên, thơng lượng chuẩn hóa hệ thống; sau đó, phân tích hiệu hệ thống dựa tỉ số 3.3 Phân tích hiệu hệ thống 3.3.1 Hệ số kênh truyền Hệ số kênh truyền sợi quang thể suy hao sợi quang suy hao tán sắc biểu diễn biểu thức: ℎ1 = exp(−𝛼𝐿) exp(−2𝜋∆𝑣𝑚 ∆𝜏) [14] (3.1) đó, exp(−𝛼𝐿) thể suy hao sợi quang exp(−2𝜋∆𝑣𝑚 ∆𝜏) thể suy hao tán sắc 𝛼 hệ số suy hao sợi quang, 𝐿 khoảng cách vô tuyến, ∆𝑣𝑚 độ rộng phổ nửa cực đại laser, ∆𝜏 chênh lệch độ trễ lan truyền hai tín hiệu quang gây tán sắc sợi quang ∆𝜏 tính theo cơng thức: ∆𝜏 = 𝐷𝐿 Đào Việt Hưng – B13DCVT024 𝜆2 𝑐 𝑓𝑚𝑚 [14] (3.2) 53 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương III: Phân tích hiệu hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp với 𝐷 hệ số tán sắc, 𝑐 vận tốc ánh sáng chân khơng, 𝜆 bước sóng 𝑓𝑚𝑚 tần số MMW Tại băng tần MMW cần phải có anten có hướng tính cao đường truyền phải khơng có vật cản, tín hiệu chủ yếu chịu ảnh hưởng từ suy hao đường truyền, độ hấp thụ khí mưa Do đó, hệ số kênh truyền kết nối MMW thể qua biểu thức: ℎ2 = 𝐺𝑇𝑋 𝐺𝑅𝑋 (3.3) 𝑃𝐿 với 𝐺𝑇𝑋 𝐺𝑅𝑋 độ lợi anten phát thu; 𝑃𝐿 tổng suy hao vô tuyến tính theo cơng thức: 𝑃𝐿 = 𝑃𝑓𝑠 + 𝑃𝑤𝑣 + 𝑃𝑟𝑎𝑖𝑛 = 20𝑙𝑜𝑔 4𝜋𝑑𝑓𝑚𝑚 𝑐 + (𝛾𝑜𝑥 + 𝛾𝑤𝑣 + 𝛾𝑟𝑎𝑖𝑛 )𝑑 (3.4) với 𝛾𝑜𝑥 , 𝛾𝑤𝑣 , 𝛾𝑟𝑎𝑖𝑛 hệ số suy hao oxy, nước mưa 3.3.2 SNR đường xuống Ở khe thời gian đầu tiên, liệu đường xuống từ CS (𝑆𝐶𝑆 (𝑡)) điều chế quang điều chế MZM1 với hệ số điều chế 𝑚1 Sau đó, tín hiệu truyền tới RAU qua sợi quang Tại RAU, tín hiệu nhận từ CS RRH (𝑆𝑅𝑅𝐻 (𝑡)) khuếch đại, sau kết hợp lại thành tín hiệu truyền tới RRH Tín hiệu biểu diễn biểu thức: 𝑆𝑅𝐴𝑈 (𝑡 ) = ℜ1 ℎ1 𝛽1 𝑃𝐶𝑆 𝑚1 𝑆𝐶𝑆 (𝑡 ) + √𝑃𝑅𝑅𝐻 ℎ2 𝛽2 𝑆𝑅𝑅𝐻 (𝑡 ) + 𝑛𝑅𝐴𝑈 (𝑡) [14] (3.5) với ℜ1 đáp ứng PD1 ; 𝑃𝐶𝑆 công suất phát quang CS, 𝑃𝑅𝑅𝐻 công suất phát vô tuyến RRH; 𝑛𝑅𝐴𝑈 nhiễu RAU, bao gồm nhiễu thu quang nhiễu thu vô tuyến; ℎ1 ℎ2 hệ số kênh truyền kênh quang kênh vô tuyến; 𝛽1 𝛽2 hệ số khuếch đại khuếch đại, điều chỉnh tương ứng để bù vào suy hao sợi quang vơ tuyến Do đó, ta có 𝛽1 = 1⁄ℎ1 𝛽2 = 1⁄ℎ2 Đào Việt Hưng – B13DCVT024 54 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương III: Phân tích hiệu hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp Ở khe thời gian thứ hai, tín hiệu nhận từ RRH biểu diễn biểu thức: 𝑟𝑅𝑅𝐻 (𝑡 ) = √ℎ2 𝑚12 ℜ12 𝑃𝐶𝑆 𝑆𝐶𝑆 (𝑡 ) + √ℎ2 𝑃𝑅𝑅𝐻 𝑆𝑅𝑅𝐻 (𝑡 ) + √ℎ2 𝑛𝑅𝐴𝑈 (𝑡 ) + 𝑛𝑅𝑅𝐻 (𝑡) (3.6) với 𝑛𝑅𝑅𝐻 nhiễu RRH Dựa vào biểu thức (3.6), ta có: 2 𝑆̂ 𝑅𝑅𝐻 (𝑡 ) = √ℎ2 𝑚1 ℜ1 𝑃𝐶𝑆 𝑆𝐶𝑆 (𝑡 ) + √ℎ2 𝑛𝑅𝐴𝑈 (𝑡 ) + 𝑛𝑅𝑅𝐻 (𝑡) (3.7) Sự thăng giáng 𝑛𝑅𝑅𝐻 biểu diễn biểu thức: 𝜎𝑅𝑅𝐻 = 𝐾𝑇𝐵𝑛 𝑅𝐿 𝑁𝐹𝑅𝑅𝐻 [14] (3.8) với 𝐵𝑛 băng thông nhiễu hiệu dụng, 𝐾 số Boltzmann, 𝑇 nhiệt độ tuyệt đối thu RF, 𝑅𝐿 trở kháng, 𝑁𝐹𝑅𝑅𝐻 nhiễu thu RF RRH Tổng nhiễu RAU (𝜎𝑅𝐴𝑈 ) bao gồm nhiễu cường độ tương đối RIN, nhiễu nổ nhiễu nhiệt từ thu quang thu RF Do đó, tổng nhiễu biểu diễn biểu thức: 𝜎𝑅𝐴𝑈 = 𝑆𝑅𝐼𝑁 (𝑚1 𝑃𝐶𝑆 ℎ1 ℜ1 )2 𝐵𝑛 + 2𝑞(𝑚1 𝑃𝐶𝑆 ℎ1 ℜ1 )𝐵𝑛 + 𝐾𝑇𝐵𝑛 𝑅𝐿 𝑁𝐹𝑅𝐴𝑈 (3.9) với 𝑆𝑅𝐼𝑁 (𝑚1 𝑃𝐶𝑆 ℎ1 ℜ1 )2 𝐵𝑛 thể nhiễu RIN, 2𝑞 (𝑚1 𝑃𝐶𝑆 ℎ1 ℜ1 )𝐵𝑛 nhiễu nổ 𝐾𝑇𝐵𝑛 𝑅𝐿 𝑁𝐹𝑅𝐴𝑈 nhiễu nhiệt; 𝑆𝑅𝐼𝑁 mật độ phổ công suất nhiễu RIN, 𝑞 điện tích electron, 𝑁𝐹𝑅𝐴𝑈 nhiễu thu RAU Dựa biểu thức (3.7) – (3.9), ta có biểu thức tính SNR đường xuống: 𝛾𝑑 = ℎ1 (ℜ1 𝑃𝐶𝑆 𝑚1 )2 2 ℎ2 𝜎𝑅𝐴𝑈 +𝜎𝑅𝑅𝐻 (3.10) 3.3.3 SNR đường lên Đối với tuyến đường lên RRH tới CS, liệu đường lên điện kết hợp từ tín hiệu CS miền điện trước điều chế quang điều chế Đào Việt Hưng – B13DCVT024 55 Chương III: Phân tích hiệu hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp Đồ án tốt nghiệp đại học MZM2 truyền tới CS Tín hiệu điện CS khe thời gian thứ hai biểu diễn sau: 𝑟𝐶𝑆 (𝑡 ) = ℎ1 ℜ2 𝑃𝑅𝐴𝑈 𝑚2 × {ℜ1 𝑃𝐶𝑆 𝑚1 𝑆𝐶𝑆 (𝑡 ) + √𝑃𝑅𝑅𝐻 𝑆𝑅𝑅𝐻 (𝑡 ) + 𝑛𝑅𝐴𝑈 (𝑡)} + 𝑛𝐶𝑆 (𝑡) [14] (3.11) với 𝑚2 hệ số điều chế điều chế MZM2, 𝑃𝑅𝐴𝑈 công suất quang LD2, ℜ2 đáp ứng PD2, 𝑛𝐶𝑆 (𝑡) nhiễu CS Dựa vào biểu thức (3.11), ta có: 𝑆̂ 𝐶𝑆 (𝑡 ) = ℎ1 ℜ2 𝑃𝑅𝐴𝑈 𝑚2 (√𝑃𝑅𝑅𝐻 𝑆𝑅𝑅𝐻 (𝑡 ) + 𝑛𝑅𝐴𝑈 (𝑡 )) + 𝑛𝐶𝑆 (𝑡) (3.12) với thăng giáng 𝑛𝐶𝑆 (𝑡) biểu diễn biểu thức: 𝜎𝐶𝑆 = 𝑆𝑅𝐼𝑁 (ℎ1 ℜ2 𝑃𝑅𝐴𝑈 𝑚2 )2 𝐵𝑛 + 2𝑞 (ℎ1 ℜ2 𝑃𝑅𝐴𝑈 𝑚2 ℜ1 𝑃𝐶𝑆 𝑚1 )𝐵𝑛 +2𝑞(ℎ1 ℜ2 𝑃𝑅𝐴𝑈 𝑚2 √𝑃𝑅𝑅𝐻 )𝐵𝑛 + 2𝑞 (ℎ1 ℜ2 𝑃𝑅𝐴𝑈 𝑚2 )𝐵𝑛 + 𝐾𝑇𝐵𝑛 𝑅𝐿 𝑁𝐹𝐶𝑆 (3.13) [14] với 𝑁𝐹𝐶𝑆 nhiễu thu CS Dựa biểu thức (3.11) – (3.13), ta có biểu thức tính SNR đường lên: 𝛾𝑢 = (ℜ2 ℎ1 𝑃𝑅𝐴𝑈 𝑚2 )2 𝑃𝑅𝑅𝐻 𝜎𝐶𝑆 (3.14) 3.3.4 Thông lượng hệ thống Với 𝑁 số bit gói liệu 𝑇𝑆 thời gian khe, nơi chứa gói liệu, từ ta có tốc độ liệu danh định 𝑅𝑆 = 𝑁⁄𝑇𝑆 [bps] Gọi Ω𝐶𝑆 Ω𝑅𝑅𝐻 trường hợp mà gói tin nhận cách xác CS RRH Từ ta có ̅̅̅̅̅ ̅ ) xác suất Ω Ω𝐶𝑆 ̅̅̅̅̅̅̅ Ω𝑅𝑅𝐻 trường hợp bổ sung; 𝑃(Ω) 𝑃(Ω ̅ Vì xác suất gói chuyển đến đích 1⁄2 nên thơng lượng hệ thống Ω tính tốn sau: Đào Việt Hưng – B13DCVT024 56 Chương III: Phân tích hiệu hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp Đồ án tốt nghiệp đại học 𝑇𝐴𝐹 = 𝑅𝑆 ̅̅̅̅̅ (2𝑃(Ω𝐶𝑆 , Ω𝑅𝑅𝐻 ) + 𝑃(Ω𝐶𝑆 , ̅̅̅̅̅̅̅ Ω𝑅𝑅𝐻 ) + 𝑃(Ω 𝐶𝑆 , Ω𝑅𝑅𝐻 )) 𝑅𝑆 = (𝑃(Ω𝐶𝑆 , Ω𝑅𝑅𝐻 ) + 𝑃(Ω𝐶𝑆 , ̅̅̅̅̅̅̅ Ω𝑅𝑅𝐻 ) + 𝑃(Ω𝐶𝑆 , Ω𝑅𝑅𝐻 ) + ̅̅̅̅̅ 𝑃(Ω 𝐶𝑆 , Ω𝑅𝑅𝐻 )) = = = 𝑅𝑆 𝑅𝑆 𝑅𝑆 (𝑃(Ω𝐶𝑆 ) + 𝑃(Ω𝑅𝑅𝐻 )) 𝐴𝐹 𝐴𝐹 )) ) + (1 − 𝑝𝑒−𝑢 ((1 − 𝑝𝑒−𝑑 𝐴𝐹 𝐴𝐹 (2 − 𝑝𝑒−𝑑 − 𝑝𝑒−𝑢 ) (3.15) 𝐴𝐹 𝐴𝐹 với 𝑝𝑒−𝑑 𝑝𝑒−𝑢 xác suất lỗi gói tin (PEPs, Packet Error Probabilities) đường xuống đường lên Do đó, thơng lượng chuẩn hóa hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp biểu diễn sau: 𝐴𝐹 𝐴𝐹 𝑇𝑛𝐴𝐹 = (2 − 𝑝𝑒−𝑑 − 𝑝𝑒−𝑢 ) [14] (3.16) với 𝑇𝑛𝐴𝐹 thông lượng chuẩn hóa 𝐴𝐹 𝐴𝐹 Với 𝑁-bit gói liệu, xác suất lỗi gói tin 𝑝𝑒−𝑑 𝑝𝑒−𝑢 hàm xác suất lỗi bit (BEPs, Bit Error Probabilities) đường xuống đường lên, tính tốn sau: 𝐴𝐹 𝑝𝑒−𝑑 = − (1 − 𝑃𝑏𝑒−𝑑 (𝛾𝑑 ))𝑁 𝐴𝐹 𝑝𝑒−𝑢 = − (1 − 𝑃𝑏𝑒−𝑢 (𝛾𝑢 ))𝑁 (3.17) với 𝑃𝑏𝑒−𝑑 (𝛾𝑑 ) 𝑃𝑏𝑒−𝑢 (𝛾𝑢 ) xác suất lỗi bit đường xuống đường lên, hàm SNR Trong trường hợp tín hiệu 𝑆𝐶𝑆 (𝑡) 𝑆𝑅𝑅𝐻 (𝑡) sử dụng QPSK, xác suất lỗi bit BEP đường xuống đường lên dựa SNR sau: Đào Việt Hưng – B13DCVT024 57 Đồ án tốt nghiệp đại học 𝑃𝑏𝑒−𝑑 (𝛾𝑑 ) = Chương III: Phân tích hiệu hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp 𝛾𝑑 𝛾𝑑 𝑒𝑟𝑓𝑐 (√ ) − 𝑒𝑟𝑓𝑐 (√ ) 2 𝛾𝑢 𝛾𝑢 𝑃𝑏𝑒−𝑢 (𝛾𝑢 ) = 𝑒𝑟𝑓𝑐 (√ ) − 𝑒𝑟𝑓𝑐 (√ ) 2 (3.18) với 𝑒𝑟𝑓𝑐( ) hàm bù lỗi 3.4 Các kết đánh giá 3.4.1 Lựa chọn tham số STT Tham số Ký hiệu Giá trị Hằng số tham số chung Hằng số K 𝐾 1.38𝑒 − 23 J/K Vận tốc ánh sáng 𝑐 × 108 m/s Điện tích electron 𝑞 1.6 × 10−19 C Trở kháng 𝑅𝐿 50 Ω Băng thông nhiễu hiệu dụng 𝐵𝑛 10 Ghz Nhiệt độ 𝑇 300 K Nhiễu thu 𝑁𝐹𝑅𝐴𝑈 , 𝑁𝐹𝐶𝑆 , 𝑁𝐹𝑅𝑅𝐻 dB Tham số thu phát quang Hệ số khuếch đại Hệ số suy hao 10 Đáp ứng PD 11 Độ rộng phổ nửa cực đại laser 12 Hệ số tán sắc 𝑚1 , 𝑚2 𝛼 ℜ1 , ℜ2 ∆𝑣𝑚 𝐷 0.5 A/W 0.2 dB/km 0.6 A/W 12.75 MHz 17 ps/(nm.km) Tham số thu phát RF 13 Tần số MMW Đào Việt Hưng – B13DCVT024 𝑓𝑚𝑚 60 GHz 58 Chương III: Phân tích hiệu hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp Đồ án tốt nghiệp đại học 14 Hệ số suy hao oxy 𝛾𝑜𝑥 15.1 dB/km 15 Hệ số suy hao nước 𝛾𝑤𝑣 0.1869 dB/km 16 Hệ số suy hao mưa 𝛾𝑟𝑎𝑖𝑛 dB/km Bảng 3.1: Bảng lựa chọn tham số 3.4.2 Kết mô Đầu tiên, thông lượng chuẩn hóa hệ thống sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp truyền thống, DF CF khảo theo công suất phát quang CS RAU với tham số sau: công suất phát vô tuyến 𝑃𝑅𝑅𝐻 = 25 𝑑𝐵𝑚, độ lợi anten phát thu 𝐺𝑇𝑋 = 𝐺𝑅𝑋 = 30 𝑑𝐵, kích thước gói tin 𝑁 = 1000 𝑏𝑖𝑡, khoảng cách sợi quang khoảng cách vô tuyến lượt 𝐿 = 20 𝑘𝑚 𝑑 = 100 𝑚; kết thu hình 3.2 Hình 3.2: Khảo sát thơng lượng chuẩn hóa hệ thống theo công suất phát quang CS RAU ba loại chuyển tiếp: truyền thống, DF AF Đào Việt Hưng – B13DCVT024 59 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương III: Phân tích hiệu hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp Nhận xét: Với tham số trên, kết cho thấy thông lượng chuẩn hóa chuyển tiếp truyền thống ổn định mức 0,5 chuyển tiếp DF mức 0,67 Còn chuyển tiếp AF, công suất phát quang thấp, nhiễu tích lũy RAU làm giảm hiệu chuyển tiếp AF Hiệu hệ thống đạt mức tối ưu công suất phát quang lớn 8,5 dBm Tiếp theo, thơng lượng chuẩn hóa hệ thống sử dụng chuyển tiếp AF khảo sát dựa công suất phát quang công suất phát vô tuyến Các tham số sử dụng giữ nguyên Kết thu hình 3.3 Hình 3.3: Khảo sát thơng lượng chuẩn hóa hệ thống theo cơng suất phát quang công suất phát vô tuyến chuyển tiếp AF Đào Việt Hưng – B13DCVT024 60 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương III: Phân tích hiệu hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp Nhận xét: Kết cho thấy thơng lượng chuẩn hóa cải thiện công suất phát tăng lên Tuy nhiên, gia tăng công suất phát vô tuyến tác động đến SNR đường lên, thơng lượng chuẩn hóa tối đa 0,5 công suất phát quang nhỏ 8,5 dBm Theo công thức (3.10) (3.14), công suất phát quang tác động lên SNR đường lên đường xuống Do đó, thơng lượng chuẩn hóa đạt tối đa cơng suất phát quang đạt đến giá trị định Cuối cùng, thơng lượng chuẩn hóa hệ thống sử dụng chuyển tiếp AF khảo sát theo khoảng cách vô tuyến với công suất phát vô tuyến 𝑃𝑅𝑅𝐻 = 10 𝑑𝐵𝑚, công suất phát quang CS RAU 𝑃𝐶𝑆,𝑅𝐴𝑈 = 10 𝑑𝐵𝑚 Các tham số lại giữ nguyên Kết thu hình 3.4 Hình 3.4: Thơng lượng chuẩn hóa theo khoảng cách vơ tuyến hệ thống sử dụng chuyển tiếp AF Đào Việt Hưng – B13DCVT024 61 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương III: Phân tích hiệu hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp Nhận xét: Dựa hình 3.4, thấy với giá trị khác độ lợi anten phát thu 𝐺𝑇𝑋 , 𝐺𝑅𝑋 , khoảng cách vô tuyến mà thơng lượng chuẩn hóa hệ thống đạt mức tối đa khác Với 𝐺𝑇𝑋 = 𝐺𝑅𝑋 = 30 𝑑𝐵, khoảng cách vô tuyến vào khoảng 130m; 𝐺𝑇𝑋 = 𝐺𝑅𝑋 = 32 𝑑𝐵 190m; 𝐺𝑇𝑋 = 𝐺𝑅𝑋 = 35 𝑑𝐵 300m Từ thấy 𝐺𝑇𝑋 , 𝐺𝑅𝑋 lớn khoảng cách vơ tuyến mà thơng lượng chuẩn hóa đạt tối đa xa 3.5 Kết luận chương Chương III đưa mơ hình hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp, đồng thời xây dựng biểu thức để tính tốn thơng lượng hệ thống, từ đánh giá, phân tích hiệu hệ thống chứng minh tính khả thi hệ thống Đào Việt Hưng – B13DCVT024 62 Đồ án tốt nghiệp đại học Kết luận KẾT LUẬN Các nội dung hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp phân tích đánh giá hiệu hệ thống trình bày Chương I trình bày khái niệm hệ thống RoF, thành phần hệ thống RoF, cách cấu hình tuyến RoF, khái niệm bước sóng MMW, ứng dụng bước sóng MMW vào hệ thống RoF, đồng thời phân tích đặc điểm hệ thống MMW/RoF Cuối chương ứng dụng hệ thống sống tương lai Chương II đưa lí cần dùng kỹ thuật chuyển tiếp mạng di động, sau trình bày kỹ thuật chuyển tiếp truyền thống, AF, DF, CF; tiếp đến cấu tạo hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật AF nguyên lý hoạt động hệ thống Chương III đưa mơ hình hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật AF, sau phân tích, đánh giá hiệu hệ thống đưa kết mô Mặc dù có nhiều cố gắng đồ án khơng tránh khỏi có hạn chế định Em mong nhận ý kiến đóng góp thầy giáo để đồ án hồn thiện Cuối em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Cô giáo ThS Phạm Anh Thư, người trực tiếp định hướng em lựa chọn đề tài đồng thời người tận tình hướng dẫn em suốt q trình thực hồn thành đồ án Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô giáo khoa Viễn thông I bạn bè giúp đỡ em suốt trình học tập làm đồ án tốt nghiệp Đào Việt Hưng – B13DCVT024 63 Đồ án tốt nghiệp đại học Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A H M Razibul Islam et al., “Simplified Generation, Transport, and Data Recovery of Millimeter-Wave Signal in a Full-Duplex Bidirectional FiberWireless System,” IEEE Photonics Technology Letters, June 2012 [2] Cheng Liu et al., “Key Microwave-Photonics Technologies for Next-Generation Cloud-Based Radio Access Networks”, IEEE/OSA J Lightwave Technol., Oct 2014 [3] H A Suraweera, H K Garg, and A Nallanathan, “Performance analysis of two hop Amplify-and-Forward systems with interference at the relay,” IEEE Communications Letters, 2010 [4] J Dieter and S Klaus, “60 GHz photonic millimeter-wave communication system”, IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, April 2010 [5] Jawad Manssour, “Network Coding in Uplink Cellular Systems”, Master of Sciene Thesis Stockholm, Sweden, 2010 [6] Jun-Hyuk Seo et al., “Bi-directional 60 GHz radio-on-fiber systems using cascaded SOA-EAM frequency up/down-converters”, IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, June, Long Beach, USA, 2005 [7] Kanghee Lee, “Comprehension of Amplify-and-Forward Relay Nerwork”, Master of Science, Wichita State University, 2007 [8] M Haider Raza et al., “Bidirectional Radio-over-Fiber architecture based on frequency up- and down-conversion with light source and LO-source free BS”, the 4th International Conference on Emerging Technol., Rawalpindi, 2008 [9] Ngoc T Dang and Hien T T Pham, “Cơng nghệ truyền sóng vơ tuyến qua sợi quang RoF”, Posts and Telecommunications Institute of Technology, Hanoi City, Vietnam [10] P Gupta and P R Kumar, “The capacity of wireless networks,” IEEE Trans Inform Theory, 2000 Đào Việt Hưng – B13DCVT024 64 Đồ án tốt nghiệp đại học Tài liệu tham khảo [11] P Larsson, N Johansson and K E Sunell, “Coded Bi-directional Relaying”, IEEE 63rd Vehicular Technology Conference, Melbourne, 2006 [12] P Popovski and H Yomo, “Wireless network coding by Amplify-and-Forward for bi-directional traffic flows”, IEEE Communications Letters, Jan 2007 [13] Rongyi Hu et al., “Full-Duplex Mode in Amplify-and-Forward Relay Channels: Outage Probability and Ergodic Capacity”, International Journal of Antennas and Propagation, Feb 2014 [14] Thu A Pham, Nga T T Nguyen, Lam T Vu, and Ngoc T Dang, “A Novel Hybrid Fiber-Wireless RoF/MMW System using Bidirectional Amplify-andForward Relaying”, Posts and Telecommunications Institute of Technology, Hanoi City, Vietnam [15] Xiugang Wu and Liang-Liang Xie, “On the Optimal Compressions in the Compress-and-Forward Relay Schemes”, 2002 [16] Y Han, S H Ting, C K Ho, and W H Chin, “Performance bounds for two-way amplify-and-forward relaying”, IEEE Transactionson Wireless Communications, 2009 [17] Yi Zhao, Raviraj Adve, and Teng Joon Lim, “Improving Amplify-and-Forward Relay Networks: Optimal Power Allocation versus Selection”, IEEE Transactions on Wireless Communication, August 2007 Đào Việt Hưng – B13DCVT024 65 ... TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG MMW/ ROF HAI HƯỚNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP 52 3.1 Giới thiệu chung 52 3.2 Mơ hình hệ thống MMW/ RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật AF 52 3.3... hai hướng AF 46 Hình 2.8: Hệ thống MMW/ RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật AF 48 Hình 2.9: Sơ đồ truyền dẫn hệ thống 49 Hình 3.1: Mơ hình hệ thống MMW/ RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật. .. Chương II: Hệ thống MMW/ RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật AF Chương đưa lí cần dùng kỹ thuật chuyển tiếp mạng di động, sau trình bày kỹ thuật chuyển tiếp chuyển tiếp truyền thống, nén chuyển tiếp (Compress-and-Forward),