Nghiên cứu đặc tính hệ thống thông tin quang không dây sử dụng mô hình gamma gamma trong điều kiện nhiễu loạn khí quyển (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG LÊ HỒNG NGUN NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG KHƠNG DÂY SỬ DỤNG MƠ HÌNH GAMMA-GAMMA TRONG ĐIỂU KIỆN NHIỄU LOẠN KHÍ QUYỂN Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.02.03 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2015 Cơng trình hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN TUẤN Phản biện 1: PGS.TS NGUYỄN LÊ HÙNG Phản biện 2: TS ĐÀO NGỌC LÂM Luận văn bảo vệ Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật điện tử Đại học Đà Nẵng vào ngày tháng 12 năm 2015 * Có thể tìm hiểu luận văn tại: Trung tâm Thông tin học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Bước sang kỷ phát triển với tốc độ nhanh chóng cơng nghệ thơng tin Sự bùng nổ phát triển không ngừng Internet làm gia tăng nhu cầu lưu lượng mạng, tốc độ truyền tin tính bảo mật hệ thống Điều làm cho thơng tin xử lý ngày nhiều, khối lượng thông tin truyền dẫn tăng lên đáng kể Cùng với xu đó, cơng nghệ truyền dẫn phát triển mạnh mẽ: từ việc truyền dẫn tín hiệu điện cáp đồng, đến việc dùng sóng điện từ để truyền tin hệ thống viba số, hệ thống thông tin di động, hệ thống thông tin vệ tinh đến ngày cho phép sử dụng ánh sáng để truyền thông tin Đặc biệt truyền dẫn quang tốc độ cao đóng vai trò quan trọng mạng viễn thông, truyền dẫn quang chia thành loại: truyền dẫn quang qua sợi quang truyền dẫn quang qua không gian (FSO – Free Space Optics) Các hệ thống truyền dẫn quang sử dụng sợi quang có khả truyền tải với dung lượng lớn, kết nối nhiều người dùng cung cấp nhiều loại dich vụ băng thơng rộng hình ảnh độ phân giải cao, liệu, hội nghị truyền hình trực tuyến … Cùng có khả truyền dẫn tốc độ cao, hệ thống FSO dễ dàng lắp đặt, di chuyển thiết lập lại cấu hình mạng cần FSO có độ an tồn cao sử dụng thơng tin tầm nhìn thẳng (line-of-sight), đồng thời với phát triển kinh tế, sở hạ tầng, cơng trình giao thông công cộng phát triển, nơi mà cơng trình viễn thơng khó triển khai FSO đơn giản, kinh tế thích hợp Từ vấn đề nêu với việc nhận thấy hướng nghiên cứu mới, tác giả định chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG KHƠNG DÂY SỬ DỤNG MƠ HÌNH GAMMA-GAMMA TRONG ĐIỂU KIỆN NHIỄU LOẠN KHÍ QUYỂN” Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu hệ thống truyền dẫn quang khơng dây điều kiện khí hậu nhiễu loạn - Nghiên cứu mơ hình Gamma - Gamma - Đánh giá hiệu truyền dẫn quang khơng dây kết hợp mơ hình Gamma-Gamma Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: kỹ thuật truyền dẫn quang không dây môi trường nhiễu loạn khơng khí - Phạm vi nghiên cứu: kỹ thuật FSO sử dụng mơ hình Gamma-Gamma - Thực mô đánh giá kết ngôn ngữ Matlab Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu đề tài kết hợp lý thuyết, tính tốn với mơ phần mềm để so sánh đánh giá kết Cụ thể phương pháp nghiên cứu bao gồm giai đoạn sau: - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: tìm hiểu kiến thức bản, cơng thức tính ý nghĩa chúng từ sách, tạp chí chuyên ngành hay báo truyền dẫn quang không dây - Mô đánh giá kết Matlab - Thử nghiệm hệ thống, lựa chọn kịch tối ưu - Đề xuất, kiến nghị giải pháp thay nâng cấp cho đề tài Bố cục đề tài Luận văn bao gồm phần sau đây: Mở đầu Chương 1: Tổng quan hệ thống truyền thông quang không dây FSO Chương 2: Giới thiệu tổng quan hệ thống thông tin quang Coherence Chương 3: Những yếu tố môi trường ảnh hưởng đến tuyến truyền dẫn quang mơ hình gamma-gamma Chương 4: Mơ đánh giá kết Tổng quan tài liệu nghiên cứu Tài liệu nghiên cứu tham khảo báo, sách, luận văn thạc sĩ từ trường đại học quốc gia khác giới tìm hiểu trang web có nội dung liên quan đến đề tài 4 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY FSO 1.1 GIỚI THIỆU CHƢƠNG Free Space Optics (FSO) hay gọi Free Space Photonics (FSP) Optical Wireless kỹ thuật truyền dẫn điều chế ánh sáng truyền lan khơng khí để trao đổi thơng tin hai điểm Giống với thông tin sợi quang, hệ thống quang không dây sử dụng lasers để truyền liệu thay truyền sợi liệu truyền qua khơng khí, phát búp sóng quang qua không gian Đây công nghệ truyền thông băng rộng tầm nhìn thẳng, tín hiệu quang, thay truyền sợi quang Nội dung chương đề cập đến cấu trúc mạng truyền thông quang không dây bao gồm thu-phát quang (gồm khối thu khối phát) cung cấp khả thơng tin hai chiều [1] 1.2 MƠ HÌNH HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG KHÔNG DÂY Hệ thống gồm ba phần chính: Phần phát, phần thu đường truyền Có hai hệ thống thơng tin quang là: hệ thống thông tin quang IM/DD hệ thống thông tin quang coherence 1.3 PHẦN PHÁT 1.3.1 Cấu tạo chung Cấu tạo phát IM/DD thông thường gồm có phần sau : - Bộ điều chế (Modulator): - Mạch điều khiển (Driver circuit) - Nguồn quang (Optical Source) Bộ phát tín hiệu (Transmit telescope) 1.3.2 Laser diode Nhìn chung, giống loại Laser khác, nguyên lí hoạt động Laser bán dẫn dựa vào bơm bên khuếch đại ánh sáng bên Khuếch đại quang dương : nghịch đảo tích lũy Giam ánh sáng hốc Tổn hao khuếch đại công suất Các mode dọc 1.4 PHẦN THU 1.4.1 Cấu tạo chung Phần thu hỗ trợ việc khôi phục liệu phát từ phía phát Phần thu bao gồm thành phần sau: - Bộ thu tín hiệu (Receiver Telescope) - Bộ lọc tín hiệu quang (Optical filter ) - Bộ tách sóng quang (Photodetector) - Bộ xử lý khôi phục liệu gửi (Post-dectection processer) 1.4.2 Photodiode pin Cấu tạo nguyên lý hoạt dộng photodiode pin Các vật liệu dùng để chế tạo photodiode pin Hiệu suât lượng tử Hệ số chuyển đổi quang – điện ( r: responsivity) Tốc độ đáp ứng Băng thông 1.4.3 Diode quang kiểu thác Để tăng độ nhạy tách sóng quang người ta ứng dụng hiệu ứng giống hiệu ứng nhân điện tử nhân quang điện Photodiode thác kí hiệu APD (Avalanche photodiode) có đặc tính tốt tín hiệu nhỏ Sau biến đổi phơtơn thành điện tử, khuếch đại dòng photo thân trước dòng vào mạch khuếch đại tiếp sau Điều làm tăng độ nhạy máy thu lên đáng kể 1.4.4 So sánh thông số photodiode Thông số Dải bước Kí hiệu  sóng Đơn vị nm Si Ge InGaAs 400  800  1100  1100 1650 1700 Hệ số chuyển đổi R A/W 0,4  0,6 0,4  0,5 0,75  0,95 ID nA  10 50  500 0,5  tr ns 0,5  0,1  0,5 0,05  0,5 BW GHz 0,3  0,7 0,5  12 VB V 5  10 quang-điện Dòng tối Thời gian lên Băng thơng Điện áp phân cực Thơng số Dải bước Kí Đơn hiệu vị  nm sóng Hệ số nhân Dòng tối Thời gian lên M lần ID nA tr ns MxB GHz phân cực 400  800  1100 1650 20  400 0,1  0,1  100  400 Băng thông Điện áp Ge VB 50  200 InGaAs 1100  1700 10  40 50  10  50 500 M =10 0,5  0,1  0,5 0,8 Hệ số khuếch đại x Si V 150  400  10 20  40 20  250 20  30 1.5 HỆ THỐNG BÁM ĐUỔI VÀ TIẾP NHẬN SÓNG 1.5.1 Tự động bám đuổi 1.5.2 Gimbal 1.5.3 Bộ cảm biến xung quanh 1.5.4 Mảng CCD 1.6 CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG KHÔNG DÂY 1.6.1 Những ƣu điểm Hệ thống FSO sử dụng ánh sáng để truyền tin mà tần số ánh sáng lớn (200THz) nên băng thông dùng cho thông tin lớn nhiều so với dải RF(105Hz) Chùm sáng hẹp nên công suất phát tập trung tuyến FSO không ảnh hưởng lẫn (không bị ảnh hưởng fading đa đường) Nhưng FSO, việc đăng kí tần số khơng cần thiết, tránh loạt thủ tục phức tạp Khả triển khai lắp đặt với FSO việc tương đối dễ dàng nhanh chóng, lắp đặt hệ thống vòng với điều kiện điểm thu phát phải nhìn thấy Chi phí cho việc triển khai lắp đặt thấp so với hệ thống khác FSO tương thích với hầu hết chuẩn truyền liệu Ethernet, T1, E1, STM-N …cho phép truyền suốt liệu, ứng dụng Đối với việc quản lý, bảo dưỡng hệ thống khơng đòi hỏi tính kỹ thuật cao Hệ thống FSO có tính bảo mật cao sử dụng ánh sáng để truyền tin nên việc dò tìm, đánh cắp thơng tin khó khăn, kẻ phá hoại khơng thể dùng máy dò phát tần số để lấy trộm thơng tin 1.6.2 Những hạn chế Nhược điểm lớn phụ thuộc lớn FSO vào môi tr ường khí quyển: mơi trường khí biến đổi phức tạp (các tượng thời tiết bất thường ngày, thay đổi mùa vùng khác) có vơ vàn tác nhân (Sương mù, mưa, hạt nước li ti, phân tử khí, vùng nhiệt độthay đổi thất thường, tác nhân vật lý khác…) tác động đến tín hiệu Nên tín hiệu truyền từ máy phát tới máy thu bị suy giảm, không đồng đều, làm cho chất lượng hệ thống không ổn định 1.7 CÁC ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG KHÔNG DÂY 1.8 KẾT LUẬN CHƢƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERENCE 2.1 GIỚI THIỆU CHƢƠNG Hệ thống thơng tin coherence với máy thu có ngun lý hoạt động khác đời khắc phục nhược điểm hệ thống IM-DD nhằm nâng cao độ nhạy chọn kênh mơi trường phân phối đa kênh yêu cầu cấp thiết Đây hệ thống thông tin tương lai Chương trình bày nội dung cấu trúc đặc điểm hệ thống thông tin quang Coherence [2] 2.2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERENCE Trong hệ thống Coherence, ánh sáng quan niệm dạng sóng điện từ trường có tần số vài trăm ngàn GHz, xử lý sóng mang vơ tuyến nghĩa điều chế biên độ, tần số điều chế pha 2.3 ĐẶC ĐIỂM KHỐI TÁCH QUANG CỦA MÁY THU COHERENCE Dựa vào thấy sơ đồ khối chúng khác đơi chút nhìn chung chia thành khối: khối tách quang, khối giải điều chế khối khơi phục tín hiệu Khối khối tách quang (khối Front-End) có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu quang thành điện thực tiền khuếch nâng dòng photo nhỏ đầu photodiode 10 Khối thứ hai khối giải điều chế gồm mạch khuếch đại mạch giải điều chế Mạch giải điều chế đơn giản mạch lọc thơng thấp Trong máy thu đổi tần khối giải điều chế bao gồm mạch khuếch nâng cao cơng suất tín hiệu, mạch lọc thông dải để lọc nhiễu mạch giải điều chế tương ứng với kiểu điều chế thực thi máy phát Khối khơi phục tín hiệu gồm mạch định mạch định thời.Trong phận kể khối tách quang khối giải điều chế đóng vai trò quan trọng định độ nhạy máy thu Khi khối tách quang có thiết kế thêm mạch cân mạch cộng hưởng cấu hình chia làm loại: loại có trở kháng cao HZ, loại hỗ dẫn TZ loại trở kháng thấp LZ, loại dùng cuộn đỉnh (peak) mạch cân loại dùng mạch cộng hưởng Trở kháng cao HZ ( High- Impedance): sơ đồ khối khối tách quang biểu diễn hình vẽ 2.4 điện trở tải RL có trị số lớn Do mật độ cơng suất nhiễu nhiệt gây điện trở tải nhỏ Với K, T, Be nhiệt độ tuyệt đối số Boltzmann’s băng thông thu Nếu điện trở tải chọn đủ nhỏ có tác dụng mở rộng băng thơng trung tần tách quang kiểu cộng hưởng thích hợp cho máy thu Coherence hoạt động tốc độ nhiều Gbit/s Những năm gần người ta chế tạo máy thu có băng thơng rộng từ vài chục GHz trở lên Vì loại HZ có điện trở R L lớn nên từ biểu thức (2.20) ta suy PSAT nhỏ nghĩa có dải động hẹp Trong TZ, R F nhỏ R L có giá trị lớn nên dải động rộng loại HZ 11 Trong đó, loại LZ, điện trở R L nhỏ nên lớn Nghĩa có dải động lớn nhất.[2] 2.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG PSAT 12 CHƢƠNG NHỮNG YẾU TỐ MÔI TRƢỜNG ẢNH HƢỞNG ĐẾN TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG VÀ MƠ HÌNH GAMMA-GAMMA 3.1 GIỚI THIỆU CHƢƠNG Môi trường không gian tự mơi trường mở, khả dự đốn Việc truyền dẫn qua mơi trường mà gặp khơng khó khăn Chính thế, việc xác định nguyên nhân gây tổn hao đến chất lượng hệ thống thông tin quang không dây mang ý nghĩa đặc biệt quan trọng Mặt khác, để có tuyến truyền dẫn ổn định, việc dự đốn trước tác động xấu từ mơi trường gây suy giảm chất lượng tuyến truyền giúp tìm phương án phù hợp để khắc phục tác động xấu Nhiều mơ hình mơ trạng thái khơng gian tự phát minh nhằm đưa dự đốn sát với thực tế, qua giúp hạn chế phần ảnh hưởng xấu môi trường đến tuyến truyền dẫn Nội dung chương đề cập đến nguyên nhân gây suy hao tuyến truyền thường gặp giới thiệu hai mơ hình mơ khơng gian tự phổ biến [10] 3.2 NHỮNG NGUYÊN NHÂN GÂY ẢNH HƢỞNG ĐẾN CHẤT LƢỢNG TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG 3.2.1 Tổn hao công suất ảnh hƣởng môi trƣờng Sự lan truyền trường quang qua bầu khí mơ tả định luật luật Beer – Lambert : Trong : - τ(λ,L) : hệ số truyền khí bước sóng λ - PR : cơng suất thu - PT : công suất phát - γ(λ) : hệ số suy hao tổng kênh truyền 13 Khi xạ quang qua bầu khí quyển, photon bị biến bị hấp thụ thành phần nước, khí CO2, sương mù, tầng Ozon…, lượng chuyển thành nhiệt thành phần khác qua khơng mát lượng hướng truyền lan ban đầu chúng bị thay đổi (tán xạ) Các yếu tố kết hợp với ảnh hưởng khác đề cập sau gây khác công suất phát công suất thu [9][10] 3.2.2.Suy hao hệ thống thông tin quang không dây Với phân bố kích thước dải thành phần khí từ micromét tới centimet, trường quang qua khí bị tán xạ hấp thụ gây suy hao a) Hấp thụ - xảy có tương tác photon phần tử khí q trình truyền lan khí Một số photon bị hấp thụ lượng chúng biến thành nhiệt Hệ số hấp thụ phụ thuộc nhiều vào loại khí mật độ chúng γ1(λ) = αa(λ) + αm(λ) (3.2) Trong : - αa(λ) : hệ số hấp thụ khơng khí ( aerosol absorption coefficient ) - αm(λ) : hệ số hấp thụ phân tử ( molecular absorption coefficient ) b) Tán xạ - kết việc phân bố lại góc trường quang có khơng có thay đổi bước sóng Ảnh hưởng tán xạ phụ thuộc vào bán kính r hạt (sương mù, nước) gặp phải q trình truyền lan Một cách mơ tả tượng xét tham số kích cỡ x0 = 2πr /λ Nếu x0 S.I giảm => BER giảm Ngược lại , α β giảm => 2l tăng => S.I tăng => BER tăng 18 * Đánh giá hiệu suất BER áp dụng mơ hình gamma-gamma có thay đổi tốc độ truyền tín hiệu Hình 4.3 – Mơ BER cơng suất thay đổi theo tốc độ truyền tín hiệu 19 Khi tốc độ bit R_bit thay đổi ảnh hưởng đến công suất nhiễu máy thu : P_nhiễu = [(2*qe*R(j)*10(P_thu/10) *10-3 +2*qe(Idb+Ibs) + 4KB*T/RL)*RL*R_bit]/2*106 Khi R_bit tăng làm cho P_nhiễu tăng, ngược lại Mặt khác: SNR =[ (RL* R(j)2* 10(P_thu/10) *10-3)2] / P_nhiễu Nên P_nhiễu tăng làm SNR giảm, ngược lại Ta lại có : BER = 0.5*((0.5*(SNR/2))0.5)0.5 Khi SNR giảm làm BER tăng * Đánh giá hiệu suất BER áp dụng mô hình gammagamma có thay đổi khoảng cách tuyến truyền Hình 4.4 Mơ BER cơng suất phát thay đổi độ dài tuyến Khi có thay đổi khoảng cách tuyến truyền dẫn tới thay đổi tỉ lệ lỗi bit BER Với khoảng cách tuyến truyền lớn tỉ lệ lỗi bit BER lớn ngược lại 4.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG 20 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI KẾT LUẬN Trong luận văn này, tác giả trình bày tổng quan lý thuyết hệ thống thơng tin quang khơng dây Từ tập trung vào nghiên cứu mơ hình mơ kênh truyền nhằm đưa dự đoán sát với thực tế Điều cho phép chuẩn bị phương án tốt nhằm hạn chế tổn hao q trình truyền dẫn qua mơi trường không gian tự Tác giả thực mơ kênh truyền với ba tình với thay đổi thông số thường gặp thực tế Việc thể thông số phương sai cường độ log, khoảng cách tuyến truyền dẫn tốc độ bit chương trình mơ giúp tăng tính thực tế Từ giúp đề xuất phương án truyền dẫn phù hợp với điều kiện tuyến quang HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Trong điều kiện mặt thời gian, kinh phí khơng cho phép kiểm tra đánh giá tuyến FSO môi trường thực tế Ngoài đồ án chưa khảo sát nhu cầu doanh nghiệp nhà cung cấp dịch vụ cho việc áp dụng công nghệ FSO Nhưng từ phần mơ thấy tiềm hệ thống FSO sau hoàn thiện chương trình tính tốn tối ưu Matlab đưa khuyến nghị lựa chọn tối ưu cho tuyến FSO Việt Nam Nếu tiếp tục đề tài này, tiến đến việc khảo sát điều kiện thực tế môi trường nhu cầu doanh nghiệp để đưa hệ thống FSO áp dụng điều kiện Việt Nam  ... hướng nghiên cứu mới, tác giả định chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG KHƠNG DÂY SỬ DỤNG MƠ HÌNH GAMMA- GAMMA TRONG ĐIỂU KIỆN NHIỄU LOẠN KHÍ QUYỂN” Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên. .. cứu - Nghiên cứu hệ thống truyền dẫn quang không dây điều kiện khí hậu nhiễu loạn - Nghiên cứu mơ hình Gamma - Gamma - Đánh giá hiệu truyền dẫn quang khơng dây kết hợp mơ hình Gamma- Gamma Đối tƣợng... sóng điện từ để truyền tin hệ thống viba số, hệ thống thông tin di động, hệ thống thông tin vệ tinh đến ngày cho phép sử dụng ánh sáng để truyền thông tin Đặc biệt truyền dẫn quang tốc độ cao đóng