Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (Luận văn thạc sĩ)

Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (Luận văn thạc sĩ)Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (Luận văn thạc sĩ)Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (Luận văn thạc sĩ)Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (Luận văn thạc sĩ)Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (Luận văn thạc sĩ)Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (Luận văn thạc sĩ)Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (Luận văn thạc sĩ)Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (Luận văn thạc sĩ)Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (Luận văn thạc sĩ)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG - Vũ Tuấn Hƣng PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MẠNG TRUY NHẬP QUANG VÔ TUYẾN ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TWDM-PON VÀ FSO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hƣớng ứng dụng) HÀ NỘI - 2018 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG - Vũ Tuấn Hƣng PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MẠNG TRUY NHẬP QUANG VÔ TUYẾN ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TWDM-PON VÀ FSO CHUYÊN NGÀNH : MÃ SỐ: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG 85.20.20.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hƣớng ứng dụng) TS LÊ HẢI CHÂU HÀ NỘI - 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2017 Học viên Vũ Tuấn Hƣng ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, em xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới thầy giáo, ngƣời tận tình hƣớng dẫn, giảng dạy giúp đỡ em suốt trình học tập, nghiên cứu rèn luyện Học viện Cơng nghệ Bƣu Viễn thơng Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hƣớng dẫn TS Lê Hải Châu, PGS.TS Đặng Thế Ngọc tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình thực luận văn Mặc dù cố gắng để thực đề tài cách hồn chỉnh nhất, song q trình thực luận văn cịn tồn khó khăn định nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót Rất mong đƣợc góp ý q Thầy, Cơ giáo bạn để luận văn đƣợc hoàn chỉnh Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2017 Học viên Vũ Tuấn Hƣng iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN .ii DANH MỤC BẢNG BIỂU v DANH MỤC HÌNH VẼ vi THUẬT NGỮ VIẾT TẮT viii LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ QUANG THỤ ĐỘNG VÀ TRUYỀN THÔNG QUANG QUA KHÔNG GIAN TỰ DO 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Công nghệ quang thụ động 1.2.1 Kiến trúc chung mạng truy nhập quang thụ động 1.2.2 Các công nghệ truy nhập quang thụ động 1.2.3 Xu hướng phát triển mạng quang thụ động 11 1.3 Công nghệ truyền thông quang qua không gian tự 12 1.3.1 Hệ thống truyền thông quang qua không gian tự 12 1.3.2 Các đặc điểm hệ thống FSO 16 1.3.3 Các thách thức với hệ thống FSO 17 1.4 Kết luận chƣơng 19 CHƢƠNG HỆ THỐNG LAI GHÉP GIỮA QUANG THỤ ĐỘNG VÀ TRUYỀN THÔNG QUANG QUA KHÔNG GIAN TỰ DO 20 2.1 Giới thiệu chung 20 2.2 Một số hệ thống lai ghép quang thụ động quang vô tuyến 21 iv 2.2.1 Hệ thống lai ghép TDM-PON FSO 21 2.2.2 Hệ thống lai ghép WDM-PON VLC 22 2.3 Hệ thống lai ghép sử dụng công nghệ TWDM-PON FSO 23 2.3.1 Công nghệ TWDM-PON 23 2.3.2 Mơ hình hệ thống lai ghép TWDM-PON FSO 29 2.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng kênh truyền 31 2.4 Kết luận chƣơng 42 CHƢƠNG HIỆU NĂNG MẠNG TRUY NHẬP QUANG VÔ TUYẾN SỬ DỤNG KỸ THUẬT TWDM-PON VÀ FSO 44 3.1 Giới thiệu chung 44 3.2 Mơ hình hóa hệ thống lai ghép sử dụng công nghệ TWDM-PON FSO 45 3.2.1 Giới thiệu phần mềm OptiSystem 45 3.2.2 Mơ hình hệ thống TWDM-PON kết hợp FSO 46 3.3 Phân tích hiệu hệ thống 51 3.4 Kết luận chƣơng 59 KẾT LUẬN 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các phần tử khí có kênh truyền 36 Bảng 2.2 Bán kính q trình tán xạ hạt tán xạ điển hình có khơng khí λ = 850 nm 38 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mạng quang thụ động PON Hình 1.2 Mạng truy nhập quang thụ động GPON Hình 1.3 Mơ hình mạng truy nhập EPON Hình 1.5 Các giai đoạn phát triển công nghệ mạng PON 11 Hình 1.6 Sơ đồ khối hệ thống FSO điển hình 12 Hình 2.1 Kiến trúc mạng lai TDM-PON FSO 21 Hình 2.2 Kiến trúc mạng lai ghép WDM-PON VLC 22 Hình 2.3 Kiến trúc mạng TWDM-PON 23 Hình 2.4 Kế hoạch bƣớc sóng TWDM-PON 26 Hình 2.5 Suy hao sợi quang đơn mode tán sắc 27 Hình 2.6 Mạng backhaul di động lai ghép TWDM-PON FSO 30 Hình 2.7 Sự ảnh hƣởng dãn rộng xung quang tán sắc gây 33 Hình 2.8 Kênh khơng khí với xốy lốc hỗn loạn 35 Hình 2.9 Ảnh hƣởng nhiễu loạn khơng khí lên tín hiệu thu đƣợc 35 Hình 2.10 (a)Xung quang lan truyền qua mơi trƣờng nhiễu loạn khí bị biến dạng; (b) Sự giãn xung làm tăng lỗi bit 36 Hình 2.11 Mơ hình lệch hƣớng chùm tia 39 Hình 3.1 Mơ hình đƣờng xuống hệ thống lai ghép TWDM-PON/FSO 44 Hình 3.2 Sơ đồ đƣờng xuống hệ thống TWDM-PON kết hợp FSO 46 Hình 3.3 Khối phát tín hiệu đƣờng xuống 47 Hình 3.4 Sơ đồ khối bên máy phát 47 vii Hình 3.5 Khối thu tín hiệu 48 Hình 3.6 Sơ đồ khối phía máy thu 48 Hình 3.7 Mạng phân phối quang 48 Hình 3.8 Tham số thiết lập nguồn phát 49 Hình 3.9 Tham số ghép kênh AWG 49 Hình 3.10 Tham số kênh truyền sợi quang 50 Hình 3.11 Tham số kênh truyền FSO 50 Hình 3.12 Sơ đồ đƣờng xuống hệ thống TWDM-PON 51 Hình 3.13 Phổ cơng suất tín hiệu đầu AWG phía phát 52 Hình 3.14 Phổ cơng suất tín hiệu đầu vào máy thu 53 Hình 3.15 Đánh giá chất lƣợng tín hiệu đƣờng xuống Rx1 qua BER 54 Hình 3.16 So sánh hiệu hai hệ thống theo công suất nguồn phát 55 Hình 3.17 So sánh hiệu hai hệ thống theo tổng chiều dài kênh truyền 56 Hình 3.18 So sánh hiệu hai hệ thống theo độ lợi khuếch đại 57 Hình 3.19 So sánh hiệu hệ thống với chiều dài FSO khác 58 viii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Viết tắt Thuật ngữ tiếng anh Thuật ngữ tiếng việt APD Avalanche PhotoDiode Điốt quang thác AWG Arrayed Waveguide Grating Cách tử dẫn sóng dạng mảng BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit B-PON Broadband Passive Optical Network Mạng quang thụ động băng rộng Binary Phase Shift Keying Điều chế khóa dịch pha nhị phân Conventional wavelength Band Băng tần C CD Chromatic Dispersion Tán sắc sắc thể CO Central Office Trạm trung tâm DFB Distributed FeedBack laser Laser phản hồi phân tán BPSK C-Band Khuếch đại quang pha tạp EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier EPON Ethernet Passive Optical Network Mạng quang thụ động Ethernet 10 Gbit/s Ethernet Passive Optical Mạng quang thụ động Ethernet Network tốc độ 10 Gbit/s G-EPON Erbium Mạng quang thụ động tốc độ GPON Gigabit Passive Optical Network GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên ký hiệu Gigabit 48 - Khối thu tín hiệu ONU Hình 3.5 Khối thu tín hiệu Xét khối thu tín hiệu đƣờng xuống bất kỳ, khối thu có thành phần máy thu (Rx), ngồi có sử dụng thêm khơi phục tín hiệu phân tích tỷ số lỗi bit Bên máy thu có lọc quang Bessel để lọc thành phần tần số mong muốn, điốt quang PIN chuyển đổi quang điện lọc thông thấp Bessel nhằm tách khơi phục lại tín hiệu ban đầu từ phía phát Hình 3.6 Sơ đồ khối phía máy thu - Mạng phân phối quang Hình 3.7 Mạng phân phối quang Dùng để truyền dẫn phân phối liệu quang từ phía phát đến phía thu với tổng chiều dài kênh truyền 40 Km, mạng phân phối quang sử dụng sợi quang đơn mode dài 39,4 Km, khuếch đại quang độ lợi 25 dB, chia 49 công suất 1:64, kênh truyền FSO với khoảng cách 0,6 Km c) Tham số mô Các tham số mô cho khối đƣợc thiết lập nhƣ sau: - Dung lƣợng truyền dẫn số lƣợng kênh Tham số mơ cho máy phát (hình 3.8): Hình 3.8 Tham số thiết lập nguồn phát  Số lượng kênh: N = (kênh) từ λ1 đến λ4  Tốc độ truyền tín hiệu kênh: B = 10 Gbit/s  Chiều dài chuỗi: 128 bít  Số mẫu bít : 64  Số lượng mẫu = chiều dài chuỗi x số mẫu bít = 128 x 64 = 8192 - Tham số ghép kênh AWG Hình 3.9 Tham số ghép kênh AWG 50 - Kênh truyền sợi quang (hình 3.10) Hình 3.10 Tham số kênh truyền sợi quang  Bước sóng tham khảo = 1599,75 nm  Chiều dài sợi = 39,4 Km  Suy hao = 0,2 dB/Km  Độ lợi khuếch đại = 25 dB - Kênh truyền FSO (hình 3.11) Hình 3.11 Tham số kênh truyền FSO  Độ dài FSO = 0,6 Km  Suy hao kênh truyền FSO = 0,2 dB/Km  Khẩu độ máy phát = cm  Đường kính máy thu FSO = 20 cm  Độ lệch chùm tia = mrad 51 3.3 Phân tích hiệu hệ thống Để đánh giá hiệu hệ thống TWDM-PON kết hợp FSO, ta sử dụng thêm mơ hình hệ thống TWDM-PON làm mốc so sánh Mơ hình hệ thống TWDM-PON nhƣ hình 3.12 có tham số hệ thống giống với hệ thống lai ghép TWDM-PON kết hợp FSO ta xét khác khơng sử dụng kênh truyền FSO Hình 3.12 Sơ đồ đƣờng xuống hệ thống TWDM-PON - Phổ công suất tín hiệu đầu ghép kênh AWG Hình 3.13 biểu đồ phổ cơng suất tín hiệu sau AWG đƣợc cho đo công suất phân tích phổ Hình 3.13 (a) phổ cơng suất tín hiệu hệ thống TWDM-PON kết hợp FSO, hình 3.13 (b) phổ cơng suất tín hiệu hệ thống TWDM-PON Ta thấy q trình xử lý thơng tin khối phát hồn tồn giống nhau, thơng số chúng khơng có khác hình dạng phổ cơng suất tín hiệu phát Khi tín hiệu qua mạng phân phối quang, với hệ thống lai ghép TWDM-PON FSO, ODN bao gồm: kênh truyền sợi quang có độ dài 40 Km, khuếch đại quang có độ lợi 25 dB, chia công suất 1:64 52 tiền khếch đại FSO kênh truyền FSO 0,6 Km Đối với hệ thống TWDM-PON, ODN gồm: kênh truyền sợi quang có độ dài 40 Km, chia 1:64 khuếch đại quang độ lợi 25 dB (a) (b) Hình 3.13 Phổ cơng suất tín hiệu đầu AWG phía phát Sau tín hiệu đầu vào máy thu, qua phân tích phổ ta thu đƣợc kết nhƣ hình 3.14 Qua phân tích phổ, ta thấy tín hiệu hai hệ thống bị mở rộng hai bên ảnh hƣởng tham số tán sắc kênh truyền Tuy nhiên, khác tham số suy hao quan sát đo cơng suất Hình 3.14 (a) cơng suất hệ thống lai ghép TWDM-PON FSO, ta thấy cơng suất tín hiệu bị suy hao nhiều kênh truyền Nguyên nhân hệ thống lai ghép TWDM-PON FSO chịu thêm ảnh hƣởng suy hao kênh truyền FSO nên biên độ tín hiệu giảm nhiều 53 (a) (b) Hình 3.14 Phổ cơng suất tín hiệu đầu vào máy thu Tín hiệu tiếp tục đƣợc đƣa vào khối thu để khơi phục lại tín hiệu ban đầu Khảo sát tín hiệu thu đƣợc Rx hai hệ thống phân tích tỷ lệ lỗi bít BER Trong hình 3.15, ta nhận thấy qua biểu đồ mắt hai hệ thống có nhiều điểm tƣơng đồng, nhiên biểu đồ mắt hệ thống TWDM-PON lai ghép FSO hình 3.15 (a) khơng rõ nét biểu đồ mắt hệ thống TWDM-PON hình 3.15 (b) Điều có nghĩa hiệu hệ thống TWDM-PON tốt hiệu hệ thống lai ghép TWDM-PON FSO Ngoài ra, đánh giá chất lƣợng tín hiệu qua Min.BER, ta thấy Min.BERTWDM-PON