Đánh giá hiệu năng hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC QAM dưới ảnh hưởng của lỗi lệch tia (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI DƢƠNG HỮU ÁI ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ SC-QAM DƢỚI ẢNH HƢỞNG CỦA LỖI LỆCH TIA Ngành: Kỹ thuật viễn thơng Mã số: 9520208 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THƠNG Hà Nội – 2018 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Hà Duyên Trung PGS.TS Đỗ Trọng Tuấn Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Quốc Bình Phản biện 2: PGS.TS Trịnh Anh Vũ Phản biện 3: PGS.TS Vũ Văn San Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi……giờ, ngày … tháng … năm…… Có thể tìn hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Bối cảnh nghiên cứu Truyền thông quang không dây (WOC) cơng nghệ sử dụng sóng mang quang để truyền tải số liệu qua không gian Các ưu điểm bật mà hệ thống truyền thơng quang khơng dây có bao gồm tốc độ truyền bit cao, không bị ảnh hưởng nhiễu điện từ, không yêu cầu xin cấp phép tần số, chi phí hiệu quả, triển khai nhanh linh hoạt Trong thời gian gần đây, hướng nghiên cứu truyền thông quang không dây lên cơng nghệ phát triển cho ứng dụng không dây băng rộng nhà ngồi trời cho truyền thơng khơng dây tương lai Các hệ thống truyền thông quang không dây nhà điển hình bao gồm hệ thống truyền thơng hồng ngoại (IR) hệ thống truyền thông sử dụng bước sóng ánh sáng nhìn thấy (VLC), hệ thống triển khai nhà cự ly truyền dẫn ngắn nên chịu ảnh hưởng mơi trường khơng khí suy hao, nhiễu loạn khơng khí, lệch tia máy phát máy thu Các hệ thống truyền thơng quang khơng dây ngồi trời hay thường gọi truyền thông quang không gian tự (FSO), công nghệ truyền thông tin, liệu hai điểm sử dụng xạ quang tín hiệu mang tin truyền qua kênh truyền tự Dữ liệu cần truyền điều chế vào cường độ, pha, tần số xạ quang mang tin Một đường truyền dẫn FSO đường truyền dẫn thẳng (LOS) Do cự ly truyền dẫn xa, chịu nhiều ảnh hưởng môi trường truyền dẫn nên việc triển khai hệ thống FSO cịn hạn chế Kênh truyền tự không gian vũ trụ vệ tinh, nước, khí kết hợp loại môi trường tuyến thơng tin Để đáp ứng u cầu truyền thông băng rộng, cự ly xa, hệ thống FSO cần vượt qua thách thức suy hao khơng khí, nhiễu loạn khí tác động yếu tố thời tiết sương mù, gió, mưa tuyết, có số vấn đề khó khăn việc triển khai hệ thống FSO bao gồm tác động tán xạ, hấp thụ, nhiễu loạn lệch tia Trong yếu tố này, nhiễu loạn khí lỗi lệch tia yếu tố tác động lớn vấn đề nghiên cứu nhiều hệ thống truyền thông quang không dây Những vấn đề tồn Các nghiên cứu trước cho việc cải thiện hiệu hệ thống FSO thường tập trung vào việc sử dụng giải pháp kỹ thuật cách riêng lẻ mà chưa có kết hợp nhiều giải pháp kỹ thuật đồng thời, dẫn đến khả cải thiện hiệu hạn chế Chẳng hạn, số nghiên cứu tập trung vào kỹ thuật phân tập, số tập trung vào kỹ thuật điều chế, chuyển tiếp Gần có số nghiên cứu có kết hợp sử dụng kỹ thuật thưc chưa nhiều, đặc biệt kỹ thuật điều chế SC-QAM OFDM Các nghiên cứu trước chủ yếu tập trung vào hệ thống FSO điểm-điểm, số nghiên cứu hiệu hệ thống FSO chuyển tiếp đa chặng thực gần Tuy nhiên, hệ thống chưa đánh giá cách đầy đủ tham số đường truyền, chẳng hạn ảnh hưởng lệch tia kỹ thuật phân tập MIMO xét tới Hệ thống FSO chuyển tiếp kết hợp nhiều giải pháp kỹ thuật đánh giá đầy đủ tham số đường truyền thách thức lớn nhà nghiên cứu Mục tiêu luận án - Mục tiêu luận án hướng tới nghiên cứu tìm kiếm giải pháp cải thiện hiệu hệ thống truyền thông quang không dây ảnh hưởng nhiễu loạn khí lỗi lệch tia - Nghiên cứu, xây dựng biểu thức toán học tham số hiệu hệ thống từ kỹ thuật cải thiện hiệu đề xuất hệ thống truyền thông quang không dây FSO Đóng góp khoa học luận án Đóng góp 1: Xây dựng mơ hình giải tích đánh giá hiệu hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC-QAM ảnh hưởng lỗi lệch tia Đóng góp 2: Đề xuất sử dụng kỹ thuật MIMO nhằm làm giảm ảnh hưởng lỗi lệch tia lên hiệu hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC-QAM Bố cục luận án Chương 1: Tổng quan hệ thống FSO Chương 2: Ảnh hưởng lỗi lệch tia lên hiệu hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC-QAM Chương 3: Giảm ảnh hưởng lỗi lệch tia lên hiệu hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật MIMO CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG FSO 1.1 Giới thiệu chƣơng Nội dung chương tập trung khảo sát tham số cấu trúc số khúc xạ thể mức độ nhiễu loạn khí quyển, mơ hình trạng thái kênh L-N G-G, mơ hình pha-đinh lệch tia máy phát máy thu 1.2 Mơ hình hệ thống FSO 1.2.1 Máy phát Chức máy phát hệ thống FSO điều chế liệu nguồn vào xạ quang mang tin, xạ sau truyền tải kênh truyền để tới máy thu 1.2.2 Kênh truyền dẫn khí Kênh truyền hệ thống FSO không gian vũ trụ vệ tinh, nước, khí kết hợp loại môi trường tuyến thông tin 1.2.3 Máy thu Tại máy thu, tín hiệu quang tập trung lại tách, giải điều chế xử lý thông tin 1.3 Các yếu tố ảnh hƣởng lên hiệu hệ thống FSO 1.4 Mơ hình kênh truyền 1.4.1 Giới thiệu nhiễu loạn khơng khí 1.4.2 Tham số cấu trúc số khúc xạ Tham số quan trọng thể cường độ dao động chiết suất tham số cấu trúc số khúc xạ Cn2 với đơn vị m2/3 , tham số cấu trúc số khúc xạ hàm thay đổi theo độ cao so với mực nước biển 1.4.3 Mơ hình nhiễu loạn Log-Normal 1.4.4 Mơ hình nhiễu loạn Gamma-Gamma 1.4.5 Mơ hình pha-đinh lệch tia Hàm phân bố xác suất X p () gây lỗi lệch tia xác định công thức: 2 (1.46) f X p ( X p )   X p 1 ,  X p  A0 , A0 đó,   zeq /2 s , A0  erf (v) , v   a /( 2z ) 1.5 Kỹ thuật MIMO điều chế FSO 1.5.1 Giới thiệu điều chế FSO 1.5.2 Điều chế biên độ cầu phƣơng 1.5.3 Kỹ thuật MIMO 1.6 Các thông số đánh giá hiệu hệ thống 1.6.1 Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình 1.6.1.1 Hệ thống SISO/FSO Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình Pse hệ thống xác định:  Pse   Pe ( ) f ( )d  , (1.50) 1.6.1.2 Hệ thống MIMO/FSO Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình hệ thống xác định: MIMO P se   Pe ( )  f  ()d ,  1.6.2 Dung lƣợng kênh trung bình 1.6.2.1 Hệ thống SISO/FSO (1.51) Dung lượng kênh trung bình xác định biểu thức:  C   Blog 1     f ( )d , (bit/s/Hz), (1.52) 1.6.2.2 Hệ thống MIMO/FSO Với hệ thống FSO chuyển tiếp kênh truyền MIMO, dung lượng kênh trung bình hệ thống xác định: C   Blog 1     f Γ ()d , (bit/s/Hz), Γ (1.53) 1.7 Kết luận chƣơng Nội dung Chương trình bày chi tiết mơ hình giải tích kênh truyền hệ thống thơng tin quang khơng dây FSO, mơ hình hóa ảnh hưởng tham số kênh truyền lên cường độ tín hiệu quang phía thu như: tổn hao đường truyền, nhiễu loạn khí pha-đinh lệch tia CHƢƠNG ẢNH HƢỞNG CỦA LỆCH TIA LÊN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ SCQAM 2.1 Giới thiệu chƣơng Nội dung chương trình bày ảnh hưởng lệch tia lên hiệu hệ thống Với hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC-QAM, nghiên cứu sinh xây dựng mơ hình giải tích khảo sát hiệu hệ thống chịu ảnh hưởng nhiễu loạn khí lỗi lệch tia 2.2 Hệ thống FSO điểm-điểm sử dụng chuyển tiếp Hệ thống FSO chuyển tiếp minh họa Hình 2.1 S R1 R2 R c-1 Rc D Hình 2.1 Mơ hình hệ thống FSO chuyển tiếp Tín hiệu điện đầu PD nút đích sau qua c nút chuyển tiếp xác định sau: c c re  t   Ps e(t ) i 0 X i 1 (t )i 1Pi   i 0i (t ) (2.5)   2.3 Mơ hình trạng thái kênh truyền Trạng thái kênh truyền X mơ hình hóa biểu thức: X  Xl  Xa  X p (2.7) đó, X l suy hao đường truyền, X a nhiễu loạn khí quyển, X p lỗi lệch tia 2.3.1 Suy hao đƣờng truyền Sự suy hao tín hiệu bầu khí xác định theo cơng thức Beer–Lambert sau: P ( L) (2.8) Xl   e L , P(0) đó, P( L) cơng suất xạ khoảng cách L , P(0) công suất xạ đầu phát,  l hệ số suy hao phụ thuộc vào bước sóng điều kiện thời tiết 2.3.2 Nhiễu loạn khí 2.3.2.1 Mơ hình nhiễu loạn Log-Normal Hàm mật độ xác suất xác định sau:  [ln(X )+0,5 I2 ]2  c 1 fX  X   exp    , (2.17) 2 I2 (c  1) X c 1 I 2   2.3.2.2 Mơ hình nhiễu loạn Gamma-Gamma Hàm mật độ xác suất xác định sau: l  fX X c 1        c  1 Γ   Γ    X   c 1   K    X (2.20) 2.3.3 Lỗi lệch tia Hàm mật độ xác suất xác định công thức (1.46) 2.4 Tổng hợp biến đổi tín hiệu cho tồn hệ thống 2.4.1 Hệ thống chịu ảnh hƣởng nhiễu loạn khí Trường hợp mơ hình nhiễu loạn L-N       c21  2   f     exp  ln +   I (2.24) c 1      I     (c  1)  2   I Trường hợp mơ hình nhiễu loạn G-G    c 1           ,    (2.27)     c  1 Γ   Γ        2.4.2 Hệ thống chịu ảnh hƣởng lỗi lệch tia 2.4.2.1 Nhiễu loạn khí yếu Hàm mật độ xác suất SNR cho trường hợp L-N f c 1    2,0 G0,2 0,5  1  0,5ln( / Xl2 A02  )  a   c 1  2  b f     e  er fc    0,5  2 I   2(c 1)( A0 X l )    (2.36) 2.4.2.2 Nhiễu loạn khí từ trung bính đến mạnh Hàm mật độ xác suất SNR cho trường hợp G-G 2   c 1 c 1 0.5  (  ) (  /  ) 3,0   f ( )   G1,3   (c  1)( A0 X l )( )(  ) 2 A0 X l  1, 1c , 1c    (2.43) 2.5 Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình ASER hệ hống tính theo cơng thức:   0 Pse  2q( M I )  Q( AI  ) f ( )d   2q( M Q )  Q( AQ  ) f ( )d   4q( M I )q( M Q )  Q( AI  )Q( AQ  ) f ( )d  , (2.49) hàm Q( x) xác định công thức [70] 2 1 (2.50) Q( x)  e ( x /2)  e (4 x /6) 12 2.6 Kết khảo sát hiệu hệ thống FSO với tham số ASER 2.6.1 Hệ thống chịu ảnh hƣởng nhiễu loạn khí Các thông số đánh giá hiệu hệ thống cung cấp bảng 2.2 Bảng 2.2 Các thông số đánh giá hệ thống Thông số Ký hiệu Giá trị Bước sóng ánh sáng 1550 nm  Hệ số chuyển đổi quang-điện 1A/W  Hệ số điều chế  -7 N0 Mật độ phổ công suất nhiễu 10 W/Hz Biên độ tín hiệu đồng pha, M I M Q  4,  4,  cầu phương c Số trạm chuyển tiếp 0, 1, Tổng khoảng cách kênh km  km L truyền 2.6.1.1 Nhiễu loạn khí yếu Hình 2.5, ASER khảo sát theo tham số SNR hệ thống với giá trị khác khoảng cách truyền, sử dụng điều chế  QAM mơi trường nhiễu loạn khí yếu 10 L = 2000 m L = 6000 m L = 8000 m c = 1, P AF = 2dB -1 10 -2 10 c=0 -3 ASER 10 c = 2, P AF = 2dB -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 10 15 20 25 SNR (dB) Hình 2.5 ASER biến đổi theo SNR hệ thống với giá trị khác khoảng cách truyền L sử dụng điều chế 8×4 QAM số trạm chuyển tiếp c = 0,1, Cn2  3.1014 m-3/2 Từ kết ta thấy giá trị ASER hệ thống giảm đáng kể tăng số trạm chuyển tiếp, thay đổi lớn vùng giá trị nhỏ  s không thay đổi nhiều vùng giá trị lớn Ứng với giá trị định trạm chuyển tiếp, giá trị ASER thấp 0  0,022 m 10 c=0 -1 10 -2 ASER 10 c=2 -3 10 c=1 -4 r = 0,045 m, P AF = 3,5dB 10 r = 0,050 m, P AF = 3,5dB r = 0,055 m, P AF = 3,5dB -5 10 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14  (m) s Hình 2.16 ASER biến đổi theo  s , với giá trị khác r , khoảng cách truyền L = 1000 m, bán kính độ thu 0 = 0,022 m, SNR = 22 dB 2.7 Dung lƣợng kênh trung bình 2.7.1 Hệ thống chịu ảnh hƣởng nhiễu loạn khí Dung lượng kênh truyền hệ thống xác định  C   Blog 1     f ( )d , (bit/s/Hz), (2.51) 2.7.1.1 Nhiễu loạn khí yếu Thực tính tốn, biến đổi, dung lượng kênh trung bình hệ thống FSO chuyển tiếp trường hợp mơ hình kênh L-N xác định công thức C C c  C     c 1 d  (2.57) c  B (c  1) B c 0 c  B c 0  11 2.7.1.2 Nhiễu loạn khí từ trung bình đến mạnh Tương tự, dung lượng kênh truyền trung bình hệ thống FSO chuyển tiếp trường hợp mơ hình kênh G-G xác định biểu thức     C   B 2 (c  1)       ln       2c    2c , 1   (2.59)  4 6,1  ( )  G2,6  16               c      c   , , , ,   4 4 2.7.2 Hệ thống chịu ảnh hƣởng lỗi lệch tia 2.7.2.1 Nhiễu loạn khí yếu Với hệ thống FSO kết hợp kênh truyền MIMO, dung lượng kênh hệ thống xác định biểu thức (1.53) Dung lượng kênh trung bình hệ thống trường hợp mơ hình kênh L-N xác định  C   eb  d (1) k 1       0,5 B k   2k  2 ln  (c  1)( A0 X l )  k 1  t )  exp(  2k  2)erfc(  I   2 t   exp (  I (  2k  2) erfc( I (  2k  2)  )  2 2 I  (2.64) 2.7.2.2 Nhiễu loạn khí từ trung bình đến mạnh Dung lượng kênh truyền trung bình hệ thống trường hợp mơ hình kênh G-G xác định sau:    C  B (c  1)( A0 X l )       ln       1,   5,1 G3,5    A0 X l  1,  1,   1,    c,    c  c 1 12 (2.68) 2.7.3 Kết khảo sát hiệu hệ thống FSO với tham số ACC 2.7.3.1 Hệ thống chịu ảnh hưởng nhiễu loạn khí Hình 2.19 mơ tả biến đổi ASE theo SNR hệ thống với giá trị khác số trạm chuyển tiếp, khoảng cách kênh truyền L = 2000 m, hệ số khuếch đại trạm chuyển tiếp PAF  dB Ta thấy ASE phụ thuộc mạnh vào mức độ nhiễu loạn khơng khí tăng số trạm chuyển tiếp, ảnh hưởng trở nên mạnh khoảng cách kênh truyền lớn c = 0, 1, 2, P AF = dB ASE (b/s/Hz) C2n = 10-14 m-2/3 C2n = 10-15 m-2/3 C2n = 10-15 m-2/3 L = 2000 m,  = 1500 nm 0 10 20 30 40 50 60 SNR (dB) Hình 2.19 ASE biến đổi theo SNR kênh truyền FSO với nhiễu loạn khí từ yếu đến mạnh, khoảng cách kênh truyền L = 2000 m , số trạm chuyển tiếp c = 0,1, 2.7.3.2 Hệ thống chịu ảnh hưởng lỗi lệch tia Hình 2.23 mô tả biến đổi ASE theo SNR hệ thống với giá trị khác độ lệch chuẩn,  s  0,1, 0, , 0, 25, tương ứng với ba giá trị khác tham số cấu trúc số khúc xạ Cn2  1015 m2/3 , Cn2  1015 m2/3 Cn2  1014 m2/3 , khoảng cách kênh truyền L  2000 m Kết ASE giảm lỗi lệch tia tăng lên, giá trị lệch tia phụ thuộc 13 ASE vào mức độ nhiễu loạn bé, ASE phụ thuộc mạnh vào mức độ nhiễu loạn khí s = 0,1 m s = 0,2 m ASE (b/s/Hz) C2n=310-14 m-2/3  = 0,25 m s C2n=910-15 m-2/3 C2n=110-15 m-2/3 0 10 20 30 40 50 60 SNR (dB) Hình 2.23 ASE biến đổi theo SNR với giá trị khác độ lệch chuẩn,  s điều kiện nhiễu loạn từ yếu đến mạnh, khoảng cách kênh truyền L = 2000 m 2.8 Kết luận chƣơng Chương trình bày đóng góp nghiên cứu sinh việc xây dựng mơ hình giải tích khảo sát hiệu giải pháp cải thiện hiệu hệ thống thông tin quang không dây FSO Kết khảo sát hiệu cho thấy rằng, kỹ thuật chuyển tiếp giúp cải thiện đáng kể hiệu cự ly truyền dẫn hệ thống Việc thiết lập tham số thông thường, tham số hệ số khuếch đại trạm chuyển tiếp xác định để đạt cự ly truyền dẫn giá trị hiệu yêu cầu CHƢƠNG GIẢM ẢNH HƢỞNG CỦA LỆCH TIA LÊN HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG FSO CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG KỸ THUẬT MIMO 3.1 Giới thiệu chƣơng Nội dung chương trình bày đóng góp nghiên cứu sinh việc đề xuất mơ hình giải pháp cải thiện hiệu hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật phân tập 14 không gian MIMO điều chế SC-QAM Với hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật phân tập không gian MIMO [C1], nghiên cứu sinh xây dựng mơ hình giải tích khảo sát hiệu hệ thống chịu ảnh hưởng nhiễu loạn khí [J1], [C2] chịu ảnh hưởng lỗi lệch tia [J2], [J3], [C1] 3.2 Hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng phân tập MIMO Hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật MIMO thể Hình 3.1 Hình 3.1 Hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật MIMO Tín hiệu điện đầu giải điều chế M  N QAM hệ thống M  N FSO sử dụng c trạm chuyển tiếp xác định: M N re  t   Ps e(t )   m1 n 1   Xi 1 mni 1Pi   i 0  c   M N  vmn  (t ) , (3.1)  i 0  m 1 n 1 i c   3.3 Mơ hình trạng thái kênh truyền Trạng thái kênh truyền X hệ thống xét phần 2.3, mơ hình trạng thái kênh xác định công thức (2.7) 3.4 Tổng hợp biến đổi tín hiệu cho tồn hệ thống 3.4.1 Hệ thống chịu ảnh hƣởng nhiễu loạn khí 15 Hàm mật độ xác suất SNR cho trường hợp phân bố L-N        c21  2 mn  f Γmn   mn   exp  ln   + I  8 I (3.6) c 1     mn      (c  1)  2   mn I Hàm mật độ xác suất SNR cho trường hợp phân bố G-G fΓ   c 1 mn  c 1        mn  c  1 Γ   Γ     mn  G0,2   2,0   mn  ,   (3.8)   mn    3.4.2 Hệ thống chịu ảnh hƣởng lỗi lệch tia 3.4.2.1 Nhiễu loạn khí yếu mn Phân bố xác suất SNR hệ thống phân bố L-N    mn   1 0,5ln  0,5   2 a c1    mn 2 b  X l A0  mn    f Γmn   mn   e  erfc  0,5    2 I   2(c  1)( A0 X l )  mn       (3.10) đó, ta đặt b   I2 (  c){1  (  c)}/ 3.4.2.2 Nhiễu loạn khí từ trung bình đến mạnh Phân bố xác suất SNR hệ thống phân bố G-G c 1 c 1  ( ) f Γ ( mn2 )  mn (c  1)( A0 X l )( )(  ) 2 mn   (3.12) ( mn / mn )0.5  3,0   G1,3   A0 X l   1,   c,    c   3.5 Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình tính theo cơng thức MIMO P se    2q( M I ) Q( AI  ) f  ()d   2q( M Q ) Q( AQ  ) f  ()d      4q( M I )q( M Q ) Q( AI  )Q( AQ  ) f  ()d ,  (3.14) 16 3.6 Kết khảo sát hiệu hệ thống FSO với tham số ASER Các thông số đánh giá cung cấp Bảng 2.2 3.6.1 Hệ thống chịu ảnh hƣởng nhiễu loạn khí 3.6.1.1 Nhiễu loạn khí yếu Hình 3.5 thể biến đổi ASER theo SNR cấu hình SISO,   với khoảng cách kênh truyền L  6000 m, sử dụng điều chế  QAM Từ hình vẽ ta thấy rằng, tăng khoảng cách kênh truyền lên L  6000 m thay đổi ASER theo cấu hình MIMO số trạm chuyển tiếp thấp trường hợp L  2000 m 10 c=0 c = 1, P AF = 2dB -1 10 c = 2, P AF = 2dB -2 10 -3 ASER 10 SISO -4 10 -5 10 2x2 MIMO -6 10 4x4 MIMO -7 10 -8 10 10 15 20 25 30 SNR (dB) Hình 3.5 ASER biến đổi theo SNR hệ thống SISO, 2×2 4×4, L = 6000 m sử dụng điều chế 8×4 QAM số trạm chuyển tiếp c = 0,1, 3.6.1.2 Nhiễu loạn khí từ trung bình đến mạnh Hình 3.6 mơ tả ASER hệ thống biến đổi theo SNR So sánh đánh giá hệ thống  ,  SISO, khoảng cách kênh truyền L  6000 m, số trạm chuyển tiếp c  0, 1, sử dụng với hệ số khuyếch đại PAF  dB Ta thấy hiệu hệ thống cải thiện đáng kể tăng trạm chuyển tiếp cấu hình MIMO hệ thống Cụ thể, với khoảng cách 17 kênh truyền L  6000 m , cấu hình  FSO tăng trạm chuyển tiếp từ c  đến c  SNR giảm tương ứng  dB từ c  đến c  giảm  dB giá trị ASER  106 10 c=0 -1 10 c=1 -2 ASER 10 -3 10 c=2 -4 10 4x4 MIMO, P AF = 2dB -5 10 2x2 MIMO, P AF = 2dB SISO, P AF = 2dB -6 10 10 15 20 25 30 SNR (dB) Hình 3.6 ASER biến đổi theo SNR hệ thống SISO, 2×2 4×4 với giá trị trạm chuyển tiếp c = 0,1, sử dụng điều chế 8×4 QAM 3.6.2 Hệ thống chịu ảnh hƣởng lỗi lệch tia 3.6.2.1 Nhiễu loạn khí yếu Từ Hình 3.8 ta thấy rằng, ASER hệ thống phụ thuộc lớn vào tham số đường truyền miền giá trị bé lỗi lệch tia  s , miền giá trị lớn  s phụ thuộc không đáng kể Trong miền giá trị bé  s , ASER giảm mạnh ta thay đổi cấu hình hệ thống từ SISO lên   , số trạm chuyển tiếp Việc kết hợp cấu hình MIMO với trạm chuyển tiếp cho ta thay đổi đa dạng thông số hệ thống, trường hợp cụ thể mà ta sử tăng trạm chuyển tiếp giảm cấu hình MIMO ngược lại, từ xác định cấu hình tối ưu cho hệ thống, đặc biệt miền giá trị lớn lỗi lệch tia 18 10 -1 10 SISO -2 ASER 10 4x4 MIMO -3 10 0 = 0,018 m, c =  = 0,022 m, c = -4 10  = 0,018 m, c = 2x2 MIMO 0 = 0,022 m, c = -5 10 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15  (m) s Hình 3.8 ASER biến đổi theo  s với cấu hình khác hệ thống, khoảng cách truyền L = 1000 m, bán kính độ thu r = 0,055 m, SNR = 23dB 10 SISO -1 10 -2 ASER 10 2x2 MIMO -3 10 4x4 MIMO -4 10 Theory, 0 = 0,020 m Theory, 0 = 0,024 m -5 10 Theory, 0 = 0,022 m Simulation -6 10 10 15 20 25 30 SNR (dB) Hình 3.12 ASER biến đổi theo SNR với cấu hình khác hệ thống, L = 1000m,  s = 0,16m r = 0,055m, c = Hình 3.12 vẽ lỗi ký tự trung bình ASER biến đổi theo SNR hệ thống FSO chuyển tiếp SISO,  FSO  FSO với giá trị khác bán kính tia 0  0,020 m, 0,022 m, 0,024 m , với trạm chuyển tiếp c  19 Ta thấy rằng, hiệu hệ thống tốt đạt ứng với 0  0,022 m Giá trị ASER hệ thống giảm mạnh vùng giá trị lớn SNR, kết mô (phương pháp mô Monte-Carlo) cho hệ thống đạt phù hợp với kết tính tốn giải tích 3.6.2.2 Nhiễu loạn khí từ trung bình đến mạnh Hình 3.14 vẽ lỗi ký tự trung bình hệ thống biến đổi theo  s hệ thống SISO,   FSO với giá trị khác bán kính tia, bán kính vịng trịn độ thu số trạm chuyển tiếp thay đổi từ c  đến c  ASER hệ thống giảm mạnh ta thay đổi cấu hình hệ thống từ SISO lên   MIMO, ASER thực giảm mạnh vùng giá trị  s bé 10 -1 10 SISO -2 ASER 10 2x2 MIMO -3 10 4x4 MIMO -4 10 r = 0,055 m, c = r = 0,060 m, c = r = 0,055 m, c = r = 0,060 m, c = -5 10 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14 s (m) Hình 3.14 ASER biến đổi theo  s , với cấu hình SISO, 2×2 4×4 MIMO, L = 1000 m, 0 = 0,022 m, SNR = 23 dB 3.7 Dung lƣợng kênh trung bình Với hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật phân tập MIMO điều chế SC-QAM, dung lượng kênh hệ thống xác định công thức (1.53) 3.7.1 Hệ thống chịu ảnh hƣởng nhiễu loạn khí 20 3.7.1.1 Nhiễu loạn khí yếu Biểu thức dung lượng kênh trung bình xác định C C c C   d  mn , (3.17) c c 1  B (c  1) mn B c 0 c   B c 0  mn 3.7.1.2 Nhiễu loạn khí từ trung bình đến mạnh Biểu thức dung lượng kênh trung bình xác định     C  B 2 (c  1)       ln    mn    2c     2c   , 1   4 6,1  ( )  G2,6  16 mn               c      c   , , , ,   4 4 3.7.2 Hệ thống chịu ảnh hƣởng lỗi lệch tia 3.7.2.1 Nhiễu loạn khí yếu Biểu thức dung lượng kênh trung bình xác định: (3.20)  C   eb  c (1) k 1      0,5 B k   2k  2 ln  (c  1)( A0 X l )  k 1 mn  t ) (3.21)  exp(  2k  2)erfc( 2 I    t  exp(  I2 (  2k  2) erfc( I (  2k  2)  )  2 2 I   3.7.2.2 Nhiễu loạn khí từ trung bình đến mạnh Biểu thức dung lượng kênh trung bình xác định:    C  B (c  1)( A0 X l )       ln    mn C 1    1,   5,1 G3,5    A0 X l  1,  1,   1,    c,    c  21 (3.24) 3.7.3 Kết khảo sát hiệu hệ thống FSO với tham số ACC 3.7.3.1 Hệ thống chịu ảnh hưởng nhiễu loạn khí Hình 3.21 mô tả biến đổi ASE theo SNR hệ thống với cấu hình kênh SISO, 2×2 4×4, số trạm chuyển tiếp c  điều kiện nhiễu loạn khí quyển, khoảng cách kênh truyền L  2000 m Ta thấy giá trị ASE tăng đáng kể tăng cấu hình MIMO, giá trị SNR  30 dB tăng cấu hình hệ thống từ 2×2 lên 4×4 với điều kiện nhiễu loạn yếu Cn2  1015 m2/3 , ASE tăng từ (b/s/Hz) lên (b/s/Hz) Sự tác động điều kiện nhiễu loạn lên ASE đáng kể khoảng cách kênh truyền tăng, thay đổi thể rõ thay đổi gần tuyến tính vùng giá trị bé SNR, vùng giá trị SNR lớn giá trị ASE thay đổi thay đổi cấu hình MIMO, điều kiện nhiễu loạn khí số trạm chuyển tiếp hệ thống 4x4 MIMO 2x2 MIMO ASE (b/s/Hz) SISO C2n = 10-14 m-2/3 C2n = 10-15 m-2/3 c = 1, L = 2000 m,  = 1500 nm 0 10 20 30 C2n = 10-15 m-2/3 40 50 60 SNR (dB) Hình 3.21 ASE biến đổi theo SNR kênh truyền SISO, 2×2 4×4 với nhiễu loạn khí từ yếu đến mạnh, khoảng cách kênh truyền L = 2000 m , số trạm chuyển tiếp c = 3.7.3.2 Hệ thống chịu ảnh hưởng lỗi lệch tia Hình 3.25 mơ tả biến đổi ASE theo SNR hệ thống điều kiện nhiễu loạn yếu khí Các kết 22 khảo sát đánh giá qua phân tập SISO, 2×2 4×4 giá trị độ lệch chuẩn  s  0,1, 0,15, 0, trường hợp c  Kết thể dung lượng kênh trung bình hệ thống thay đổi lớn vào phân tập MIMO, lỗi lệch tia số trạm chuyển tiếp miền giá trị lớn SNR, miền giá trị bé thay đổi không đáng kể Trong miền gián trị lớn SNR, ASE tăng mạnh tăng cấu hình phân tập hệ thống giảm tăng số trạm chuyển tiếp giá trị độ lệch chuẩn  s 10 4x4 MIMO 2x2 MIMO ASE (b/s/Hz) SISO s = 0,2 m  = 0,15 m s  = 0,1 m s 0 10 20 30 40 50 60 SNR (dB) Hình 3.25 ASE biến đổi theo SNR với nhiễu loạn yếu khí quyển, khoảng cách kênh truyền L = 4000 m, c = 3.8 Kết luận chƣơng Nội dung Chương trình bày đóng góp nghiên cứu sinh việc đề xuất mơ hình giải pháp cải thiện hiệu hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật MIMO điều chế SC-QAM Các cơng thức hiệu hệ thống tính tốn dựa mơ hình giải tích hệ thống điều kiện nhiễu loạn khác khí Kết khảo sát hiệu cho thấy rằng, kỹ thuật chuyển tiếp kết hợp với kỹ thuật MIMO giúp cải thiện đáng kể hiệu cự ly truyền dẫn hệ thống 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Nội dung luận án đạt mục tiêu đề nghiên cứu đề xuất giải pháp đánh giá cải thiện hiệu hệ thống truyền thông quang không dây FSO Với kết đạt được, bố cục luận án trình bày ba chương sau: Chương trình bày tổng quan hệ thống FSO; Chương trình bày ảnh hưởng lỗi lệch tia lên hiệu hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC-QAM; Chương trình bày giảm ảnh hưởng lỗi lệch tia lên hiệu hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật MIMO Các kết đóng góp luận án chia thành hai nhóm lớn Đóng góp khoa học luận án: Đóng góp 1: Xây dựng mơ hình giải tích đánh giá hiệu hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC-QAM ảnh hưởng lỗi lệch tia Đóng góp 2: Đề xuất sử dụng kỹ thuật MIMO nhằm làm giảm ảnh hưởng lỗi lệch tia lên hiệu hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC-QAM Kiến nghị nghiên cứu Nghiên cứu xây dựng mô hình kênh, đánh giá hiệu hệ thống FSO trường hợp tín hiệu quang truyền dẫn chuyển tiếp hai hướng nhằm tăng thông lượng hệ thống Đồng thời sử dụng phương thức điều chế sử dụng cho hệ thống thông tin Các mơ hình kênh xây dựng riêng lẻ cho kịch nhiễu loạn, hệ thống FSO không sử dụng trạm chuyển tiếp xây dựng mơ hình kênh cho tất kịch nhiễu loạn Vì vậy, xây dựng mơ hình kênh tổng quát cho trường hợp nhiễu loạn yếu, trung bình mạnh hệ thống FSO chuyển tiếp hướng nghiên cứu luận án 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN [J1] Duong Huu Ai, Do Trong Tuan, and Ha Duyen Trung (2015), “Amplify-and Forward Relaying MIMO/FSO Systems using SCQAM Signals over Log-Normal Atmospheric Turbulence Channels,” Journal of Science and Technology, Technical Universities, ISSN: 0866-3980, No 107, pp 123-128 [C1] Duong Huu Ai, Ha Duyen Trung, and Do Trong Tuan (2016), “Pointing Error Effects on Performance of Amplify-and-Forward Relaying MIMO/FSO Systems Using SC-QAM Signals Over Log-Normal Atmospheric Turbulence Channels," the 8th Asian Conference on Intelligent Information and Database Systems (ACIIDS 2016), vol 9622 of LNAI, Springer-Verlag, Danang, Vietnam, pp 607-619 [J2] Duong Huu Ai, Do Trong Tuan, and Ha Duyen Trung (2016), “Pointing error effects on performance of amplify-and-forward relaying FSO systems using SC-QAM signals over GammaGamma atmospheric turbulence channels,” Journal of Science and Technology, The University of Danang, ISSN: 1859-1531, No (103), pp 1-6 [C2] Duong Huu Ai, Ha Duyen Trung, and Do Trong Tuan (2016), “AF Relay-Assisted MIMO/FSO/QAM systems in GammaGamma fading channels” Proc IEEE 3rd National Foundation for Science and Technology Development Conference on Information and Computer Science (NICS 2016), pp 147-152 [J3] Duong Huu Ai, Do Trong Tuan, and Ha Duyen Trung (2016), “Misalignment fading effects on performance of amplify-andforward relaying FSO systems using SC-QAM signals over LogNormal atmospheric turbulence channels,” Journal of Science and Technology, The University of Danang, ISSN: 1859-1531, No 12 (109), pp 1-5 [C3] Duong Huu Ai, Duong Tuan Quang, Nguyen Ngoc Nam, Ha Duyen Trung Do Trong Tuan and Nguyen Xuan Dung (2017), “Capacity Analysis of Amplify-and-Forward Free-Space Optical Communication Systems Over Atmospheric Turbulence Channels," Proc IEEE 7th International Conference on Information Science and Technology (ICIST 2017), pp 103-108 ... điều chế SC- QAM Bố cục luận án Chương 1: Tổng quan hệ thống FSO Chương 2: Ảnh hưởng lỗi lệch tia lên hiệu hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC- QAM Chương 3: Giảm ảnh hưởng lỗi lệch tia lên... HỆ THỐNG FSO CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ SCQAM 2.1 Giới thiệu chƣơng Nội dung chương trình bày ảnh hưởng lệch tia lên hiệu hệ thống Với hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC- QAM, nghiên... giá hiệu hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC- QAM ảnh hưởng lỗi lệch tia Đóng góp 2: Đề xuất sử dụng kỹ thuật MIMO nhằm làm giảm ảnh hưởng lỗi lệch tia lên hiệu hệ thống FSO chuyển tiếp