Đánh giá hiệu năng giải pháp backhaul di động ứng dụng công nghệ truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp (TWDMPON) và RoF (tt)

Đánh giá hiệu năng giải pháp backhaul di động ứng dụng công nghệ truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp (TWDMPON) và RoF (tt)Đánh giá hiệu năng giải pháp backhaul di động ứng dụng công nghệ truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp (TWDMPON) và RoF (tt)Đánh giá hiệu năng giải pháp backhaul di động ứng dụng công nghệ truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp (TWDMPON) và RoF (tt)Đánh giá hiệu năng giải pháp backhaul di động ứng dụng công nghệ truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp (TWDMPON) và RoF (tt)Đánh giá hiệu năng giải pháp backhaul di động ứng dụng công nghệ truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp (TWDMPON) và RoF (tt)Đánh giá hiệu năng giải pháp backhaul di động ứng dụng công nghệ truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp (TWDMPON) và RoF (tt)Đánh giá hiệu năng giải pháp backhaul di động ứng dụng công nghệ truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp (TWDMPON) và RoF (tt)Đánh giá hiệu năng giải pháp backhaul di động ứng dụng công nghệ truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp (TWDMPON) và RoF (tt)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Nguyễn Đông Đức

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG GIẢI PHÁP BACKHAUL DI ĐỘNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP QUANG THỤ ĐỘNG THẾ HỆ KẾ TIẾP (TWDM-PON)

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS Lê Hải Châu

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ ĐẦU

Ngày nay với việc phát triển bùng nổ của công nghệ thông tin và thông tin di động, yêu cầu cải thiện về mặt công nghệ và băng thông của mạng backhaul di động ngày càng lớn hơn, đặc biệt là khi các nhà mạng di động hiện nay đã và đang phát triển, thử nghiệm 5G với tốc độ cực cao đồng thời ngày càng nhiều ứng dụng được triển khai trên nền di động Để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của công nghệ 5G, mạng backhaul di động thế hệ kế tiếp cần có dung lượng lớn, có khả năng cung cấp băng thông linh hoạt, cải thiện tầm với và có khả năng bảo mật cao Do vậy, việc nghiên cứu, tìm hiểu và đánh giá hiệu năng của các giải pháp mạng backhaul di động dung lượng lớn tương lai có khả năng đáp ứng tốt nhu cầu của mạng 5G là rất quan trọng và cần thiết trong việc nắm bắt

và làm chủ các công nghệ mới trong tương lai gần

Hiện tại, trong mạng lõi của hệ thống thông tin di động đã ứng dụng công nghệ truy nhập quang thụ động GPON Tuy nhiên, với công nghệ truy nhập này ở thế hệ kế tiếp thứ 2, với tốc độ tối đa có thể lên đến 40 Gbps khi được áp dụng sẽ làm tăng tốc độ

và thỏa mãn được nhu cầu phát triển với tốc độ cao, băng thông rộng của công nghệ 5G Ngoài ra đối với mạng truy cập vô tuyến dùng công nghệ truyền sóng vô tuyến qua sợi quang được đánh giá là có nhiều ưu điểm vượt trội so với mạng truy cập vô tuyến thông thường Trong thời gian gần đây, công nghệ truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp thứ

2 cũng được thử nghiệm thành công và sẽ sử dụng phổ biết trong tương lai Do vậy, giải pháp kết hợp hai công nghệ này hứa hẹn sẽ có khả năng đáp ứng được nhu cầu cấp thiết của mạng backhaul di động trong tương lai

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG BACKHAUL DI ĐỘNG

1.1 Giới thiệu chung

Cho đến nay, các mạng di động đã trải qua 4 thế hệ với nhiều thay đổi trong công nghệ và tính năng Hình 1.1 thể hiện các thế hệ mạng di động cùng một số đặc điểm chính của chúng Vào đầu những năm 1980 mạng thông tin di động không dây cơ bản đầu tiên trên thế giới xuất hiện và được gọi là mạng thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G), đây là hệ thống giao tiếp thông tin qua kết nối tín hiệu analog Hệ thống này sử dụng các ăng-ten thu phát sóng gắn ngoài, kết nối theo tín hiệu analog tới các trạm thu phát sóng và nhận tín hiệu xử lý thoại thông qua các module gắn trong máy di động Chính vì thế mà các thế hệ máy di động đầu tiên trên thế giới có kích thước khá to và cồng kềnh do tích hợp cùng lúc 2 module thu tín hiện và phát tín hiệu

Hình 1.1: Mạng di động qua các thế hệ

Đầu năm 2017 cả ba nhà mạng lớn tại Việt Nam đã khai thác thành công mạng di động thế hệ thứ 4 Đây chính là mạng thông tin di động 4G Công nghệ này cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 - 1,5 Gbit/s Cách đây không lâu thì một nhóm gồm 26 công ty trong đó có Vodafone (Anh), Siemens

(Đức), Alcatel (Pháp), NEC và DoCoMo (Nhật Bản), đã ký thỏa thuận cùng nhau phát triển một tiêu chí cao cấp cho điện thoại di động, một thế hệ thứ 4 trong kết nối di động –

đó chính là nền tảng cho kết nối 4G Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bị không dây Các nghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mbps khi di chuyển và tới 1 Gbps khi đứng yên, cũng như cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên các hình ảnh, video clips chất lượng cao Hình 1.2 dưới đây dự đoán nhu cầu gia tăng dung lượng người dùng trên toàn cầu đến năm 2019, qua hình dưới đây ta thấy dung lượng người dùng ngày càng tăng nhanh

từ giao diện Iub Trong mạng 4G là kết nối từ EnodeB về MME, các EnodeB với nhau và

từ MME về các phần tử mạng lõi (MSC, HLR, SGSN ) Hình 1.3 dưới đây xác định vị trí của mạng backhaul trong hệ thống thông tin di động

Hình 1.3: Vị trí của mạng backhaul trong hệ thống thông tin di động

Trên thực tế, các hệ thống backhaul di động đã tiến hóa qua ba giai đoạn Hình 1.4 thể hiện sự tiến hóa qua các giai đoạn của mạng backhaul di động, chi tiết như sau:

Hình 1.4: Mạng backhaul di động qua các giai đoạn phát triển

Hình 1.5: Thị phần các công nghệ trong mạng backhaul di động

Cáp đồng Cáp quang Sóng vô tuyến Yêu cầu bắt

buộc

Không có yêu cầu

Băng thông Giới hạn Không giới hạn Cao nhưng giới hạn

Bảng 1.1: Bảng so sánh ưu nhược điểm của từng loại phương tiện truyền dẫn trong

mạng backhaul

Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về dung lượng của các mạng di động, nhiều công nghệ truyền tải tốc độ Gigabit đã được nghiên cứu và áp dụng cho các hệ thống backhaul nổi bật lên là công nghệ dựa trên hệ thống sợi quang (WDM-PON), hệ thống truyền ánh sáng qua không gian tự do (FSO) và hệ thống truyền sóng vô tuyến qua sợi quang (RoF)

Hình 1.6: Dự đoán đầu tư nghiên cứu vào các công nghệ trong mạng Backhaul từ

2017 đến 2015

1.3 Các yêu cầu của mạng backhaul

1.3.1 Tăng tốc độ cho đầu cuối

Hình 1.7: Sự phát triển dung lƣợng hệ thống backhaul di động

hạ tầng mạng được xây dựng phải đặc biệt chú trọng tới mạng không dây backhaul và lớp truyền tải Các xu hướng và dịch vụ được liệt kê ở trên minh họa cả động lực hướng tới 5G và những lợi ích của nó Trên thực tế, việc đạt được những lợi ích này sẽ đòi hỏi những thay đổi lớn trong cách mạng di động và các cơ sở hạ tầng cơ bản đang được xây dựng - đặc biệt là đối với lớp backhaul

1.4.1 Mật độ công suất cao hơn

1.4.2 Lưu lượng phức tạp và phân bố không đồng đều

tự động,…) do đó mạng di động thế hệ thứ 5 thật sự gặp phải những yêu cầu và thách thức rất lớn 5G cung cấp những lợi ích khổng lồ và thay đổi cách nhìn cho người sử dụng điện thoại di động, và thậm chí với cả các nhà khai thác di động Cuối cùng, việc công nghệ 5G có đước triển khai thành công hay không là do các nhà khai thác dịch vụ

và các đối tác công nghệ của họ Các nhà khai thác di động hiểu và lên kế hoạch cho các yêu cầu về công suất cao hơn, mạng lưới tế bào dày hơn, triển khai cấp đường phố, ảo hóa mạng và các ứng dụng quan trọng Tất cả điều này sẽ giúp các nhà khai thác tăng đáng kể hiệu quả hoạt động, cung cấp chất lượng dịch vụ cao hơn cho các thuê bao và đạt được nhanh hơn cho các dịch vụ và công nghệ mới Với sự phát triển không ngừng của công nghệ 5G, mạng backhaul phục vụ cho công nghệ này cũng đòi hỏi sẽ thay đổi nhanh chóng trong tương lai Ngoài ra, mạng backhaul 5G cũng sẽ gặp phải nhữn thách thức rất lớn như mật độ công suất cao, dịch vụ và ảo hóa mạng, tính bảo mật cao,… Do vậy đòi hỏi cấp bách là phải xây dựng một mạng backhaul 5G đáp ứng được các yêu cầu của thực tiễn, do đó phải áp dụng các công nghệ tiên tiến, hiện đại nhất để thỏa mãn nhu cầu của thế hệ mạng trong tương lai này

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ TWDM – PON VÀ RoF TRONG

MẠNG BACKHAUL DI ĐỘNG

2.1 Giới thiệu chung

Hiện nay, công nghệ truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp thứ 2 dung lượng 40 Gbps với nền tảng là kỹ thuật ghép kênh kết hợp theo thời gian và theo bước sóng (TWDM) đã được chuẩn hóa và được kỳ vọng sẽ sớm được triển khai rộng khắp trên thế giới Hệ thống truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp (TWDM - PON) có khả năng đáp ứng nhu cầu phạm vi rộng và đa dịch vụ trong một mạng di động Bên cạnh đó, giải pháp công nghệ truyền sóng vô tuyến qua sợi quang (RoF) với nhiều ưu điểm như suy hao thấp, băng thông rộng, không chịu ảnh hưởng của nhiễu tần số vô tuyến,… cũng đang dần chín muồi Do vậy, giải pháp kết hợp công nghệ TWDM- PON và RoF trong mạng backhaul di động hứa hẹn sẽ phát huy được các ưu điểm của cả hai công nghệ này và đáp ứng được các nhu cầu của mạng di động backhaul

2.2 Công nghệ TWDM - PON

2.2.1.Tổng quan

2.2.2 Công nghệ TWDM – PON cho hệ thống NG-PON2

Hình 2.1: Kiến trúc mạng TWDM- PON

2.2.2.1 Các thông số cơ bản của mạng TWDM-PON

2.2.2.2 Các lợi ích chính của TWDM-PON

2.2.2.3 Yêu cầu kỹ thuật chung của hệ thống NG-PON2

2.2.2.4 Yêu cầu dịch vụ

2.2.2.5 Yêu cầu lớp vật lý

Hình 2.2: Các bước sóng của NG- PON2

Hình 2.2 thể hiện bước sóng của NG-PON2 với bước sóng đường xuống từ 1596

nm đến 1603 nm còn đường lên là từ 1524 nm đến 1544 nm với tùy chọn băng rộng và từ

1532 nm đến 1540 nm với tùy chọn băng hẹp

Hình 2.3: Suy hao sợi quang đơn mode và tán sắc

 Phát hiện và giảm ONU/OLT giả mạo

 Yêu cầu khả năng phục hồi và tính dự phòng

 Triển khai linh hoạt

 Triển khai bao trùm tất cả

2.3 Công nghệ RoF

2.3.1 Tổng quan

Hình 2.4: Khái niệm về hệ thống RoF

(a) Trạm trung tâm (b)Trạm gốc

Hình 2.5: Hệ thống quang-vô tuyến 900 MHz

2.3.2 Các kỹ thuật truyền sóng vô tuyến qua sợi quang

2.3.2.1 Công nghệ RoF sử dụng kỹ thuật IM-DD

(a) Tạo tín hiệu RF bằng điều chế cường độ của Laser

(b) Tạo tín hiệu RF bằng điều chế cường độ dùng một bộ điều chế ngoài

Hình 2.6: Tạo tín hiệu RF bằng điều chế

Nguyên lí trộn kết hợp được minh họa như sau Hai trường quang có tần số góc ω1

và ω2 được biểu diễn:

E 1 = E 01 cos(ω 1 t) (2.3)

E 2 = E 02 cos(ω 2 t) (2.4)

Nếu cả hai trường tác động lẫn nhau trên một bộ tách sóng quang PIN, dòng tách

quang trên bề mặt sẽ tỉ lệ với bình phương của tổng các trường quang Dòng tách quang

danh định là:

i PD = (E 1 + E 2 ) 2 (2.5)

i PD= E 01 E 02 cos[(ω 1 − ω 2 )t ]+ E 01 E 02 cos[(ω 1 + ω 2 )t ] + các thành phần khác

(2.6)

Thành phần cần quan tâm là E01E02cos[(ω1−ω2)t] thể hiện rằng, bằng cách điều khiển sự khác biệt về tần số giữa hai trường quang, có thể tạo ra tín hiệu vô tuyến ở bất

kỳ tần số nào Giới hạn trên duy nhất của các tần số vô tuyến được tạo ra bằng phương thức này chính là giới hạn băng thông của bản thân bộ tách sóng quang Nếu nhận xét

tính hiệu công suất quang thay cho cáctrường quangthì dòng tách quang được tính:

i PD = 2R p t p t1   2 .cos[ {ω 1 (t ) − ω 2 (t )}t + φ 1 ( t ) − φ 2 ( t )] + các thành phần khác (2.7)

Với R là bộ nhạy của bộ tách sóng quang, t là thời gian, p1(t) và p2(t) là các tín hiệu công suất quang tức thời ω1(t) và ω2(t ), φ1(t) và φ2(t) tương ứng với tần số tức thời của tín hiệu

Phương trình (2.7) cho thấy sự ổn định tần số tức thời của các tín hiệu được tạo ra nhờ RHD phụ thuộc vào độ lệch tần số tức thời giữa 2 sóng mang quang được trộn Vì vậy, trong RHD, cần thiết phải điều khiển độ lệch tần số tức thời một cách chính xác để giữ tần số của tín hiệu phát ra ổn định Thường thì chỉ có một trong hai sóng mang quang được điều chế với số liệu

Có nhiều phương thức tạo ra hai sóng mang quang cho tách sóng heterodyne kết hợp Phương thức thứ nhất là sử dụng bộ điều chế quang để tạo ra nhiều biên tần quang

và sau đó chọn các biên tần cần thiết Một phương thức khác là sử dụng 2 nguồn laser riêng biệt Hai laser được chế tạo để phát ra ánh sáng có tần số (bước sóng) lệch nhau một khoảng bằng tần số vô tuyến mong muốn Kỹ thuật sau đây là một kỹ thuật thuộc phương thức thứ nhất, kỹ thuật tạo hai sóng mang quang sử dụng laser điều tần (FM) và

bộ lọc quang (hình 2.7)

Hình 2.7: Nguyên lý trộn kết hợp (coherent) quang dựa trên laser điều tần

2.3.3 Những ƣu, nhƣợc điểm của công nghệ RoF

2.3.3.1 Những ƣu điểm của công nghệ RoF

 Suy hao thấp

 Băng thông rộng

 Không chịu ảnh hưởng của nhiễu tần số vô tuyến

 Lắp đặt và bảo dưỡng dễ dàng

 Giảm công suất tiêu thụ

 Phân bổ tài nguyên động

2.3.3.2 Những hạn chế của công nghệ RoF

2.5 Kết luận chương

Qua các trình bày ở trên, chúng ta đã nghiên cứu hai công nghệ hai được sử dụng trong mạng backhaul di động là TWDM-PON và RoF Từ đó thấy được các kỹ thuật được áp dụng trong hai công nghệ trên, những ưu điểm, nhược điểm cũng như khả năng

áp dụng trong thực tế Qua đó, nhận thấy có thể kết hợp ưu điểm của cả hai công nghệ TWDM- PON và RoF để xây dựng một hệ thống kiến trúc lại ghép sử dụng cả hai công nghệ trên Vì vậy một mạng truy cập di động băng thông rộng kế tiếp dựa trên kiến trúc lai sử dụng các công nghệ TWDM-PON và MMW-RoF tận dụng và kết hợp được các ưu điểm của hai công nghệ này, phát triển một mô hình toán học của hệ thống đường xuống, phân tích toàn diện hiệu suất của đường truyền truy nhập lai RoF/TWDM trong khi xem xét các tác động của sự suy yếu cả lớp vật lý của cả sợi quang và các liên kết không dây Hoạt động của các hệ thống RoF/TWDM-PON với các dịch vụ khác nhau cũng được đánh giá so với các hệ thống MMW-RoF tương ứng Kết quả tính toán cho thấy hệ thống kết hợp RoF/TWDMPON có thể tận dụng lợi thế của cả mạng truy nhập quang và công nghệ MMW-RoF để tạo ra một giải pháp linh hoạt băng rộng có chi phí thấp, linh hoạt cho các mạng truy nhập di động thế hệ tiếp theo

CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG BACKHAUL SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ TWDM - PON VÀ RoF

3.1 Giới thiệu chung

3.2 Đường xuống cho hệ thống mạng viễn thông truy cập sử dụng PON

RoF/TWDM-Hình 3.1 mô tả kiến trúc điển hình của các mạng truy nhập di động băng thông rộng dựa trên các công nghệ TWDM-PON và MMW-RoF Mạng kết hợp RoF/TWDM-PON bao gồm phần sợi quang (TWDM-PON) và phần liên kết MMW TWDM-PON có khả thể đạt tốc độ10 Gbps thông qua nhiều cặp bước sóng để cải thiện tổng tốc độ dữ liệu Mỗi hệ thống XG-PON cung cấp tốc độ truy cập 10 Gbps cho đường xuống và 2,5 (hoặc 10) Gbps cho đường lên

Hình 3.1 Kiến trúc đường xuống của mạng truy nhập di động MMW-RoF

Hình 3.2: Kiến trúc đường xuống của mạng truy nhập di động TWDM-PON/MMW RoF

3.3. Phân tích hiệu năng

Hai tín hiệu quang sau khi qua bộ ghép quang được điều chế tín hiệu số QPSK tại

bộ điều chế Mach-Zehnder với chỉ số điều chế m, dẫn đến tín hiệu có kết quả sau:

E(t)=[ P s cos 1 t + cos 2 ][1+mS(t)] (3.1)

Trong đó: Ps là công suất truyền ở CO, 1 và 2 là tần số các tín hiệu của hai điốt

laser (LD), S(t) là tín hiệu số QPSK

Tín hiệu được chuyển đến một đầu vào của AWG Kết quả của AWG được xác định bởi:

E T (t) =∑ i (t)*h i Tx (t) (3.2)

Trong đó E i (t) là đầu vào của tín hiệu i th của AWG và h i Tx (t) là bộ chuyển đổi của

AWG cho kênh i th

Khi tín hiệu quang đi qua EDFA, tín hiệu đầu ra được xác định bởi:

E A (t)= G E E T (t) + n ASE (t) (3.3)

Trong đó G E là chỉ số khuếch đại của EDFA và n ASE là nhiễu ASE có thể được xác định bởi:

<n ASE > = P ASE = 2nζh 0 (G E -1)B 0 (3.4)

Các tín hiệu sau khi qua bộ khuyến đại quang EDFA được truyền qua sợi quang 1

đến bộ tách với tỷ lệ chia tách N S, sau đó truyền qua sợi quang 2 tới RAU Xem xét sự suy giảm và phân tán của sợi quang, tín hiệu quang thu được tại RAU có thể được biểu diễn bằng:

E r (t) = G E N s P r (cos 1 t+cos 2 t) [ 1+mS(t)] (3.5)

Trong đó: P r là công suất quang học nhận được tại RAU Với P r = P s exp(- 1 –

2 )h CD1 h CD2, trong đó hệ là hệ số suy giảm sợi quang, L 1 là chiều dài của sợi quang

giữa EDFA và bộ chia, L 2 là chiều dài của sợi quang giữa bộ chia và RAU h CD1 và h CD2

là sự suy giảm công suất tín hiệu do tán sắc, được cho bởi:

h CD1 = e (-2π m 1 ) (3.6)

h CD2 =e (-2π m 2 ) (3.7)

Với m là toàn độ rộng tối đa ở nửa cực đại của phổ laser; và 1 và 2 là độ trễ do lan truyền của hai tín hiệu quang do tán sắc, được đưa ra bởi: