Mục tiêu của luận án là xây dựng được mô hình giải tích cho phép khảo sát hiệu năng hệ thống MMW-RoF dưới ảnh hưởng của đầy đủ hơn các tham số của hệ thống, bao gồm các tham số của đường truyền quang, thiết bị thu phát quang, đường truyền vô tuyến và thiết bị thu phát vô tuyến.
BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG PHẠM ANH THƯ GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG HỆ THỐNG TRUYỀN SÓNG MILIMET QUA SỢI QUANG CHO MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN BĂNG RỘNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thơng Mã số: 9.52.02.08 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2016 Cơng trình hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: TS Vũ Tuấn Lâm PGS.TS Đặng Thế Ngọc Phản biện 1: PGS.TS Trương Vũ Bằng Giang Phản biện 2: PGS.TS Vũ Văn Yêm Phản biện 3: PGS.TS Hồ Quang Quý Luận án bảo vệ trước hội đồng chấm luận án cấp Học viện họp tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG vào hồi: Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia Việt Nam Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU Cơng nghệ truyền sóng vơ tuyến qua sợi quang tiến hành nghiên cứu triển khai dải tần viba (microwave) khoảng 15 năm trước Trong năm gần đây, với xuất công nghệ truyền dẫn vô tuyến băng sóng milimet ứng viên tiềm cho mạng truy nhập vô tuyến di động hệ thứ (5G), nghiên cứu công nghệ RoF cho truyền sóng milimet nghiên cứu tích cực Các nghiên cứu thường tập trung vào mơ hình kiến trúc, phân tích đánh giá hiệu tuyến truyền dẫn sợi quang sử dụng công nghệ RoF Tuy nhiên, số yếu tố ảnh hưởng lên hiệu tuyến RoF tán sắc méo phi tuyến chưa tính đến đồng thời Ngoài ra, thực tế, việc triển khai tuyến truyền dẫn sợi quang RoF tới trạm thu phát gốc khơng linh hoạt, đòi hỏi chi phí cao khơng phải lúc triển khai được, ví dụ khu thị với mật độ xây dựng cao, nơi địa hình hiểm trở qua sơng hay qua núi Chính thế, để tiết kiệm chi phí, tăng tính linh hoạt khả mở rộng ứng dụng công nghệ RoF việc truyền tải tín hiệu MMW tới trạm thu phát gốc, giải pháp tiếp cận quan tâm nghiên cứu triển khai hệ thống truyền dẫn lai ghép MMW/RoF sử dụng đường truyền dẫn quang RoF đường truyền dẫn vô tuyến MMW Để đánh giá tính khả thi giải pháp đòi hỏi cần có mơ hình giải tích đánh giá cách toàn diện ảnh hưởng tham số phân đoạn truyền dẫn sợi quang RoF phân đoạn truyền dẫn vô tuyến MMW lên hiệu hệ thống MMW/RoF Bên cạnh đó, việc đề xuất giải pháp nâng cao hiệu hệ thống MMW/RoF cần thiết Xuất phát từ phân tích trên, nghiên cứu sinh định chọn đề tài: “Giải pháp nâng cao hiệu hệ thống truyền sóng milimet qua sợi quang cho mạng truy nhập vô tuyến băng rộng” cho luận án nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu luận án nhằm phân tích đồng thời yếu tố ảnh hưởng đến hiệu hệ thống MMW/RoF với kịch ứng dụng khác mạng truy nhập vô tuyến Kết mong muốn nghiên cứu đưa mơ hình tốn học mơ tả phụ thuộc tham số hiệu hệ thống vào tham số lớp vật lý Nghiên cứu hướng đến đề xuất giải pháp kỹ thuật nhằm cải thiện hiệu hệ thống MMW/RoF Để đạt mục tiêu nêu trên, nhiệm vụ cụ thể cần phải giải bao gồm: (1) nghiên cứu cấu trúc nguyên lý hoạt động hệ thống MMW/RoF, (2) nghiên cứu tham số ảnh hưởng đến hiệu hệ thống mơ hình hóa phụ thuộc hiệu vào tham số này, (3) Khảo sát hiệu hệ thống cho kịch ứng dụng khác phân tích số mơ (4) đề xuất giải pháp nhằm cải thiện hiệu hệ thống MMW/RoF Từ nhiệm vụ nghiên cứu trên, phương pháp nghiên cứu luận án nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô Cụ thể là, sử dụng lý thuyết truyền thơng cơng cụ tốn học để tính tốn, đánh giá hiệu hệ thống MMW/RoF theo tham số yếu tố ảnh hưởng khác Sau đó, sử dụng cơng cụ phần mềm nhằm đưa kết đánh giá hiệu cách trực quan Cuối cùng, đưa nhận xét, đánh giá dựa kết đạt được, đưa khuyến nghị, giải pháp cải thiện hiệu hệ thống Luận án bố cục thành bốn chương nội dung sau: Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương 2: Khảo sát hiệu hệ thống MMW/RoF Chương 3: Cải thiện hiệu hệ thống MMW/RoF đơn hướng Chương 4: Đề xuất mơ hình hệ thống MMW/RoF chuyển tiếp song hướng cho mạng truy nhập vô tuyến CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 HỆ THỐNG TRUYỀN TÍN HIỆU VƠ TUYẾN Ở BĂNG TẦN MILIMET QUA SỢI QUANG Sơ đồ khối hệ thống MMW/RoF thể hình 1.5 Một hệ thống truyền sóng milimet qua sợi quang bao gồm phân hệ phân hệ trạm trung tâm CO (CS), phân hệ mạng phân phối quang ODN, phân hệ trạm BS, kênh truyền vơ tuyến thu phát tín hiệu vơ tuyến Phân hệ CO hệ thống MMW/RoF đảm nhiệm chức xử lý liệu tạo tín hiệu quang đường xuống Việc tạo tín hiệu quang bao gồm hai q trình tạo sóng mang điều chế liệu đường xuống Hai trình thực đồng thời thực cách tách biệt Có nhiều kỹ thuật đề xuất năm gần để thực chức dựa phương pháp tiếp cận khác Mạng phân phối quang thực kết nối để truyền tín hiệu từ trạm trung tâm đến BS đầu xa ngược lại Thành phần chủ yếu ODN cáp sợi quang có khuếch đại quang Các khuếch đại quang sử dụng phân hệ ODN để bù lại suy hao lan truyền khoảng cách truyền lớn suy hao rẽ nhánh mạng truy cập Việc sử dụng khuếch đại quang cho phép phân phối tín hiệu quang từ CO qua khoảng cách lớn tới BS cho phép tăng số lượng BS Mục tiêu kiến trúc sử dụng MMW/RoF để có BS/RAU (Radio Access Unit) đơn giản tốt Đơn giản BS đóng vai trò chuyển đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện, sau chuyển tới anten phát ngược lại, chuyển tín hiệu điện thu từ anten thu sang tín hiệu quang truyền CO qua sợi quang Như vậy, phân hệ BS cho đường xuống gồm thành phần tách sóng quang, lọc khuếch đại CO Bộ xử lý liệu TX Bộ tạo sóng mang quang Bộ xử lý liệu Dữ liệu RX Thu RX ODN RRH RAU Điều chế quang Kênh quang Bộ biến đổi quang điện Bộ biến đổi quang điện Kênh quang Bộ biến đổi điện quang Bộ phát vô tuyến Kênh vô tuyến Bộ thu vô tuyến Bộ thu vô tuyến Kênh vô tuyến Bộ phát vơ tuyến Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ thống MMW/RoF 1.2 CÁC THAM SỐ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG - Tỉ số cơng suất tín hiệu nhiễu, SNR Tỉ lệ lỗi bit, BER Dung lượng kênh, C Thông lượng 1.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG LÊN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG - Các nguồn nhiễu Dữ liệu RX Dữ liệu TX - Suy hao sợi quang Tán sắc sợi quang Các hiệu ứng quang phi tuyến Ảnh hưởng kênh vô tuyến 1.4 CÁC THÁCH THỨC TRONG VIỆC NÂNG CAO HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG MMW/RoF Các thách thức việc nâng cao hiệu hệ thống MMW/RoF chủ yếu xuất phát từ ảnh hưởng lớp vật lý kênh truyền quang, kênh truyền vô tuyến thu phát 1.5 CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 1.5.1 Các cơng trình nghiên cứu nước Tại Việt Nam kết nghiên cứu liên quan đến hệ thống MMW/RoF hạn chế 1.5.2 Các cơng trình nghiên cứu ngồi nước 1.5.2.1 Các nghiên cứu kiến trúc công nghệ sử dụng hệ thống MMW/RoF Các nghiên cứu cấu trúc công nghệ sử dụng hệ thống MMW/RoF xem xét ba phân hệ hệ thống Cấu trúc công nghệ đường xuống CO gồm nghiên cứu kỹ thuật điều chế, nguồn laser sử dụng kỹ thuật tạo tín hiệu quang băng sóng MMW Đã có nhiều nghiên cứu kiến trúc công nghệ hỗ trợ cho ODN, cụ thể có nhiều loại sợi quang đề xuất sử dụng cho hệ thống MMW/RoF sợi đơn mode, sợi đa mode, sợi polymer hay sợi quang đa lõi; cấu hình ODN công nghệ khuếch đại quang xem xét Yếu tố để hệ thống MMW/RoF triển khai thực tế việc triển khai BS phải có chi phí thấp tiêu thụ cơng suất thấp Điều thực cách sử dụng cấu kiện tích hợp đơn giản, với thiết bị điện quang tối giản, có mức tiêu thụ cơng suất thấp Một số cấu hình BS sử dụng cơng nghệ tiên tiến đề xuất để đạt mục tiêu 1.5.2.2 Các nghiên cứu đánh giá hiệu hệ thống MMW/RoF Trong thời gian gần đây, nhiều nghiên cứu liên quan đến việc phân tích đánh giá hiệu hệ thống MMW/RoF thực Hiệu hệ thống đánh giá dựa tham số tỉ lệ lỗi bit BER độ lớn vector lỗi (Error Vector Magnitude - EVM) BER định nghĩa tỉ số lỗi bit truyền dẫn, EVM trung bình sai khác độ lớn chòm tham chiếu chòm nhận điểm xác định hệ thống Một số tác giả kiểm chứng hiệu hệ thống RoF UE, có xét đến ảnh hưởng kênh vô tuyến kiến trúc UE số tác giả khác lại tập trung vào ảnh hưởng vùng RoF cách tính tốn phân tích hiệu hệ thống đầu PD BS 1.5.2.3 Các nghiên cứu giải pháp cải thiện hiệu hệ thống Nhằm giảm thiểu ảnh hưởng yếu tố kênh quang kênh vơ tuyến nói trên, nhiều giải pháp cải thiện hiệu đề xuất Các giải pháp cải thiện hiệu chia thành nhóm giải pháp kỹ thuật làm giảm nhiễu hệ thống, kỹ thuật làm giảm ảnh hưởng tán sắc sợi quang kỹ thuật cải thiện hiệu phổ tần quang 1.6 HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 1.6.1 Nhận xét cơng trình nghiên cứu tác giả khác a) Hạn chế nghiên cứu cấu trúc hệ thống - Ảnh hưởng đường truyền vô tuyến khảo sát cự ly hạn chế - Thường tập trung đề xuất kiến trúc hệ thống MMW/RoF đơn hướng b) Các nghiên cứu phân tích đánh giá hiệu - Mới phân tích đánh giá hiệu hệ thống MMW/RoF ảnh hưởng vài tham số riêng biệt mà chưa khảo sát đồng thời ảnh hưởng đầy đủ yếu tố truyền dẫn quang vô tuyến - Phần ảnh hưởng kênh vô tuyến chưa đánh giá với ảnh hưởng kênh quang cách đầy đủ - Hiệu hệ thống MMW/RoF đo thử nghiệm với điều kiện hạn chế trang thiết bị dẫn đến kết phân tích hiệu chưa đầy đủ với kịch ứng dụng c) Các nghiên cứu cải thiện hiệu - Giải pháp cải thiện hiệu đồng thời tuyến RoF tuyến MMW chưa quan tâm nhiều Mới tập trung cho tuyến RoF cải thiện dung lượng sợi quang với kỹ thuật ghép kênh phân cực WDM 6 Chưa lượng hóa ảnh hưởng từ lớp vật lý hệ thống MMW/RoF nên tham số hiệu lớp cao thông lượng hệ thống 1.6.2 Hướng nghiên cứu luận án Dựa khảo sát phân tích nghiên cứu liên quan, nghiên cứu sinh vạch hướng nghiên cứu luận án nghiên cứu khảo sát, đánh giá hiệu đề xuất giải pháp cải thiện hiệu hệ thống truyền dẫn hai chặng (sợi quang/vô tuyến) dựa công nghệ MMW/RoF ứng dụng mạng truy nhập vô tuyến băng rộng, cụ thể sau: - Xây dựng mơ hình giải tích khảo sát hiệu hệ thống MMW/RoF ảnh hưởng đồng thời tham số hệ thống, bao gồm tham số đường truyền quang, thiết bị thu phát quang, đường truyền vô tuyến thiết bị thu phát vô tuyến - Đề xuất sử dụng ghép kênh không gian sợi quang đường truyền vô tuyến nhằm cải thiện dung lượng hệ thống MMW/RoF Xây dựng mơ hình giải tích mô khảo sát hiệu hệ thống MMW/RoF sử dụng ghép kênh không gian - Đề xuất mô hình kiến trúc hệ thống MMW/RoF song hướng ứng dụng mạng truy nhập vô tuyến băng rộng với giải pháp nâng cao thông lượng hệ thống Xây dựng mơ hình giải tích đánh giá hiệu năng, cho thấy tính khả thi ưu điểm hệ thống đề xuất - 1.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG Nội dung Chương trình bày tổng quan cấu trúc, tham số hiệu yếu tố ảnh hưởng lên hiệu hệ thống MMW/RoF Các công trình nghiên cứu ngồi nước liên quan đến hệ thống MMW/RoF tổng kết Qua khảo sát phân tích kết nghiên cứu công bố, hạn chế nghiên cứu Từ đó, hướng nghiên cứu luận án vạch ra, nghiên cứu khảo sát, đánh giá hiệu đề xuất giải pháp cải thiện hiệu hệ thống truyền dẫn hai chặng dựa công nghệ MMW/RoF ứng dụng mạng truy nhập vô tuyến băng rộng tương lai 7 CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG MMW/RoF 2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Có thể thấy hiệu hệ thống MMW/RoF chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố khác phân hệ quang phân hệ vô tuyến, gồm nguồn nhiễu sinh từ thu phát, méo phi tuyến sợi quang phần tử thu phát, tán sắc sợi quang, suy hao fading kênh vô tuyến Sự ảnh hưởng yếu tố khác điều kiện truyền dẫn cụ thể Do vậy, việc đánh giá hiệu hệ thống ảnh hưởng đồng thời yếu tố quan trọng khó khăn Để đánh giá hiệu hệ thống MMW/RoF ảnh hưởng đầy đủ tham số phân hệ quang phân hệ vô tuyến Trước hết, ảnh hưởng tham số lên hiệu hệ thống phân tích Tiếp đó, mơ hình hệ thống MMW/RoF đường xuống đưa từ hiệu hệ thống phân tích đánh giá tác động tham số 2.2 CÁC THAM SỐ ẢNH HƯỞNG LÊN HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG - Các tham số thu: nguồn nhiễu, phi tuyến Các tham số kênh quang: suy hao, tán sắc, phi tuyến Các tham số kênh vô tuyến: suy hao, fading 2.3 KHẢO SÁT HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG MMW/RoF 2.3.1 Mơ hình hệ thống lai ghép MMW/RoF Về bản, hệ thống truyền sóng vơ tuyến qua sợi quang băng tần millimet (MMW/RoF) bao gồm ba phân hệ con, phân hệ trung tâm (CO/CS), mạng phân phối quang (ODN) trạm gốc (BS) Phân hệ CO thực nhiều chức phức tạp điều chế, giải điều chế tạo sóng mang băng tần millimet,… Ngược lại, BS cần thật đơn giản số lượng lớn BS yêu cầu hệ thống Phân hệ CO kết nối với trạm gốc BS qua ODN Trong hệ thống này, việc truyền tạo tín hiệu quang băng tần millimet vấn đề quan trọng, nhiều nhà nghiên cứu giới quan tâm Đã có nhiều nghiên cứu cơng bố phương pháp tạo tín hiệu quang, phương pháp điều chế trực tiếp, điều chế ngoài, điều chế trộn tần số biến đổi bước sóng Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng Tuy nhiên, sơ đồ điều chế ngồi sử dụng rộng rãi thử nghiệm hệ thống MMW/RoF Chính vậy, sơ đồ điều chế ngồi lựa chọn nghiên cứu (hình 2.3) Hình 2.3 Mơ hình hệ thống lai ghép MMW/RoF 2.3.2 Tỉ lệ lỗi bit BER Hiệu hệ thống MMW/RoF đường xuống đề xuất dược phân tích tính tốn Receiver/RRH (Hình 2.3) Trước tiên, tỉ số cơng suất tín hiệu nhiễu SNR tỉ số SDR (signal-to-distortion ratio) tính tốn Sau đó, tỉ số SNDR (signal-to-noise and distortion ratio) mô tả ảnh hưởng nhiễu méo xem xét xác định sau: 1 SNDR SNR SDR (2.28) Tiếp theo, tỉ số lỗi bit BER mô tả hàm tỉ số SNDR cho trường hợp liệu tín hiệu QPSK QPSK - OFDM: SNDR BER erfc , 2 (2.29) đó, erfc(.) hàm bù lỗi Cuối cùng, BER đánh giá ảnh hưởng kênh vơ tuyến hai mơ hình kênh Rayleigh Rice 2.3.3 Tỉ số cơng suất tín hiệu nhiễu Tỉ số SNR hệ thống đề xuất tính sau: SNR Ps (M mP )2 d 2GP GTx GRx GL GM / PL LI A r , PN TN GP GTx GRx GL GM / PL LI NFRx K BTBn (2.42) đó, NFRx hệ số nhiễu thu d2 cơng suất tín hiệu liệu 9 2.3.4 Tỉ số cơng suất tín hiệu nhiễu gây méo Tỉ số cơng suất tín hiệu nhiễu gây méo sau APD, SDR,được tính sau: SDR Ps a 2 8a12 32 d 2 19 Py 19m2 d a2 2 d 19a2 d (2.48) 2.3.5 Ảnh hưởng kênh vô tuyến Kênh vơ tuyến mơ hình đề xuất hình 2.1 sử dụng băng tần milimet mơ hình hóa kênh LOS kênh NLOS Đối với kênh vơ tuyến LOS, truyền thơng tầm nhìn thẳng anten có hướng có hệ số khuếch đại cao yêu cầu Bên cạnh đó, kịch ngồi trời, anten thường gắn nhà cột cao Do vậy, kênh truyền coi mơi trường truyền khơng gian tự Chính vậy, liên kết vơ tuyến MMW chịu ảnh hưởng suy hao đường truyền, hấp thụ khí suy hao mưa Đối với mơ hình kênh vơ tuyến NLOS, kênh mơ hình hóa phân bố Rayleigh Kênh Rayleigh sử dụng để mô tả ảnh hưởng fading mơi trường truyền sóng vơ tuyến khơng có đường truyền trực tiếp anten phát anten thu Tỉ lệ lỗi bit kênh tính sau: 1 Pbrayleigh 1 2 (2.61) 2.3.6 Kết khảo sát hiệu hệ thống Như đồ thị hình 2.6, BER giảm mạnh tới điểm đáy sau lại tăng dần lên M A tăng Do đó, tìm giá trị M A tối ưu để đạt tỉ lệ lỗi bit thấp Đường cong BER phụ thuộc vào M A có hình dạng M A tăng lên khơng cơng suất tín hiệu tăng lên mà nhiễu nổ APD tăng lên Khi M A lớn giá trị đó, ảnh hưởng nhiễu nổ APD trở lên lớn làm cho hiệu hệ thống bị suy giảm 10 Hình 2.6 BER phụ thuộc vào hệ số khuếch đại APD với giá trị chiều dài sợi quang khác 2.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương phân tích đưa mơ hình giải tích biểu diễn phụ thuộc đầy đủ tham số hệ thống lên hiệu hệ thống MMW/RoF so với nghiên cứu trước Trong chương này, mơ hình giải tích khảo sát tồn diện hiệu hệ thống MMW/RoF ảnh đầy đủ tham số hệ thống bao gồm tham số đường truyền quang, thiết bị thu phát quang, đường truyền vô tuyến thiết bị thu phát vô tuyến với kịch ứng dụng khác gồm kịch ứng dụng cho kết nối tới người dùng di động kịch ứng dụng cho kết nối backhaul mạng truy nhập vô tuyến xây dựng CHƯƠNG 3: CẢI THIỆN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG MMW/RoF ĐƠN HƯỚNG 3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Cho đến nay, có số nghiên cứu quan tâm đến hệ thống MMW/RoF sử dụng MIMO Một số nghiên cứu đưa khái niệm hệ thống MIMO RoF sử dụng sợi quang tách biệt cho trạm gốc BTS Việc truyền tải tín hiệu ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM cho hệ thống đa anten MIMO mạng quang thụ động sử dụng kỹ thuật WDM thực Hệ thống MMW/RoF sử 11 dụng ghép phân cực MIMO để truyền số liệu tốc độ Gb/s đề xuất Tuy nhiên, hệ thống sử dụng sơ đồ điều chế OOK với hiệu sử dụng phổ tần thấp Năm 2012, Lei Deng tác giả đưa mơ hình hệ thống truyền sóng vơ tuyến 22 MIMO-OFDM qua mạng WDM-PON dựa kỹ thuật ghép phân chia theo phân cực kỹ thuật đa anten MIMO Tuy nhiên, nghiên cứu nghiên cứu nêu thực dựa mơ hình thực nghiệm Do đó, kết đánh giá hiệu bị hạn chế điều kiện thử nghiệm tốc độ, cự ly truyền dẫn Hơn nữa, điều kiện thử nghiệm, khó để đánh giá riêng biệt ảnh hưởng tham số hệ thống Trong chương này, hai giải pháp cải thiện hiệu mặt dung lượng kênh, bao gồm sử dụng ghép kênh phân cực kết hợp MIMO sử dụng sợi quang đa lõi kết hợp MIMO đưa phân tích 3.2 CẢI THIỆN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG MMW/RoF SỬ DỤNG GHÉP KÊNH PHÂN CỰC KẾT HỢP MIMO 3.2.1 Kiến trúc đường xuống hệ thống MIMO MMW/RoF Mơ hình đường xuống hệ thống OFDM MMW/RoF sử dụng MIMO 22 minh họa hình 3.2 Tx1 Rx1 OFDM PD MZM PA LNA Tx2 PBC PBS DSP OFDM DSP OFDM Rx2 PBS LO LD PD MZM CS OFDM RAU PA LNA RRH LO Hình 3.2 Kiến trúc đường xuống hệ thống MMW/RoF sử dụng MIMO PDM 3.2.2 Tỉ số cơng suất tín hiệu nhiễu nhiễu gây méo Tỉ số tín hiệu nhiễu (SNR) miền điện thu xác định theo công thức: P (mPr )2 d2GPGL RL / PL SNR Re c , (3.22) PN 4 N GP GL RL / PL KTBn NFRx đó, KTBn nhiễu nhiệt thu tín hiệu RF, NFRx hệ số nhiễu phía thu, d2 cơng suất tín hiệu OFDM PL suy hao khơng khí cho liên kết thẳng 12 Giả sử hai tín hiệu OFDM chịu ảnh hưởng méo phi tuyến hai nhánh, ảnh hưởng méo phi tuyến lên tín hiệu OFDM nhánh: 8a12 32 (3.24) SDR 2 19a2 d 19m2 d2 Cả méo nhiễu ảnh hưởng đến hiệu hệ thống Tỉ số cơng suất tín hiệu nhiễu nhiễu gây méo SNDR công thức (2.28) 3.2.3 Dung lượng kênh Giả thiết kênh ngẫu nhiên trình Ergodic, dung lượng kênh hệ thống phụ thuộc vào tỉ số SNDR sau: C E log det I Nr HH H Nt (3.29) E log det I Nr Λ , Nt đó, E kỳ vọng thực theo phân bố ma trận kênh ngẫu nhiên H 3.2.4 Kết khảo sát dung lượng kênh Dung lượng kênh hệ thống xem xét ảnh hưởng số điều chế với hai trường hợp có xét đến méo khơng xét đến méo Như hình 3.4, trường hợp không xét đến ảnh hưởng méo, dung lượng kênh tăng lên số điều chế tăng lên cho hai kênh MIMO SISO Tuy nhiên, xét đến ảnh hưởng méo, dung lượng kênh giảm số điều chế vượt giá trị tối ưu Do vậy, lựa chọn giá trị tối ưu cho số điều chế để đạt dung lượng kênh tối đa hay làm cho ảnh hưởng méo nhỏ Khi số điều chế lớn giá trị tối ưu đó, ảnh hưởng méo lớn nhiều so với ảnh hưởng nhiễu dung lượng kênh giảm nhanh 13 Hình 3.4 Dung lượng kênh phụ thuộc vào số điều chế 3.3 CẢI THIỆN HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG MMW/RoF SỬ DỤNG MCF KẾT HỢP MIMO 3.3.1 Giới thiệu chung Mặc dù, kết nối backhaul mạng truy nhập vô tuyến sử dụng công nghệ RoF sử dụng MMW nghiên cứu rộng rãi, thường xem xét cách tách biệt Gần đây, kết nối backhaul kết hợp quangvơ tuyến hai chặng, RoF sử dụng chặng từ CO tới RAU MMW sử dụng từ RAU tới RRH, phân tích Trong nghiên cứu này, liên kết vô tuyến không xét đến xét đến với khoảng cách ngắn hạn chế điều kiện thử nghiệm Ngoài ra, việc sử dụng đồng thời RoMCF kênh quang MIMO kênh vô tuyến chưa xem xét cho kết nối backhaul Trong phần này, kiến trúc kết nối backhaul mạng truy nhập vô tuyến lai ghép quang-vô tuyến hai chặng dựa kết hợp hệ thống MMW/RoMCF kĩ thuật MIMO để tạo lên kết nối backhaul dung lượng cao cho mạng vô tuyến tế bào hệ đề xuất hiệu mặt dung lượng hệ thống phân tích ảnh hưởng nhiều tham số lớp vật lý 14 3.3.2 Mơ hình hệ thống MMW/RoMCF Hình 3.7 mơ tả kiến trúc hệ thống backhaul đề xuất sử dụng công nghệ MMW/RoF kết hợp với sợi đa lõi MCF công nghệ MIMO RAU RRH PS LD PA LNA Bộ giải điều chế OFDM LNA Bộ giải điều chế OFDM LNA Bộ giải điều chế OFDM APDs Bộ điều chế OFDM d3 (t ) Bộ điều chế OFDM s1 (t ) MZM PA MZM s2 (t ) s3 (t ) MZM dW (t ) Bộ điều chế OFDM sW (t ) W-core MCF Fan out d (t ) Fan In Bộ điều chế OFDM PA MZM PA CS WxW MIMO LNA Bộ thu kênh MIMO d1 (t ) Bộ giải điều chế OFDM Hình 3.7 Kiến trúc hệ thống OFDM MMW/RoF sử dụng MIMO MCF 3.3.3 Phân tích hiệu hệ thống Trong phần này, hiệu (dung lượng) hệ thống backhaul đường xuống đánh giá RRH (Hình 3.7) Trước tiên, tỉ số SNR RRH tính tốn ảnh hưởng nguồn nhiễu, xuyên nhiễu fading từ liên kết quang liên kết vô tuyến Cuối cùng, dung lượng kênh hệ thống đề xuất tính tốn dựa tỉ số SNR từ CS tới RRH Tỉ số SNR tính sau: SNR M A Pr GP GTx GRx PL GP GTx GRx PL K BTBn NFRx N (3.56) Dung lượng kênh Ergodic kênh MIMO tính sau: B C E log det I Nr SNR n HH H , N t Rs (3.58) đó, Rs tốc độ kí hiệu Bn băng tần nhiễu hiệu dụng có giá trị thường giả thiết với tốc độ kí hiệu Rs 15 3.3.4 Kết khảo sát hiệu hệ thống Trong Hình 3.12, ảnh hưởng ba tham số chính, bao gồm hệ số ghép mode, cơng suất phát bán kính uốn cong, đến dung lượng kênh khảo sát Trong kịch này, sợi MCF lõi với khoảng cách lõi 45 m, kênh MIMO 4x4, hệ số nhân APD 20 hệ số Rice Kết kịch đồ thị 3D mô tả ảnh hưởng hệ số ghép mode công suất phát lên dung lượng hệ thống (hình 3.12) Dung lượng kênh giảm mạnh hệ số ghép mode tăng lên hệ số ghép mode tăng lên xun nhiễu tăng lên Cơng suất phát cao giúp cải thiện dung lượng kênh cho trường hợp hệ số ghép mode nhỏ Tuy nhiên, hệ số ghép mode lớn, ví dụ = 0.1, cơng suất phát cao gây xuyên nhiễu lớn đó, cơng suất phát cao khơng giúp cải thiện dung lượng kênh Hình 3.12 Dung lượng kênh phụ thuộc vào hệ số ghép mode công suất phát với kênh 44 MIMO, MA = 20, = 45 m, Rbd = 0.3 m hệ số Rice K = 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Kiến trúc kết nối backhaul lai ghép quang-vô tuyến hai chặng dựa kỹ thuật ghép kênh phân cực ghép kênh không gian sợi quang kết hợp với kỹ thuật phân tập không gian đường truyền vô tuyến để tạo lên kết nối dung lượng cao cho mạng truy nhập vô tuyến băng rộng 16 đề xuất chương Hiệu hệ thống MMW/RoF đơn hướng đánh giá mặt dung lượng kênh xét đến ảnh hưởng đầy đủ tham số lớp vật lý từ sợi quang, kênh vô tuyến nguồn nhiễu xem xét phân tích CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH HỆ THỐNG MMW/RoF CHUYỂN TIẾP SONG HƯỚNG CHO MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN 4.1 GIỚI THIỆU CHUNG Cho đến nay, có nhiều kết nghiên cứu kiến trúc hệ thống RoF đường lên đường xuống cách riêng biệt, kiến trúc hệ thống RoF hai hướng vấn đề quan tâm nghiên cứu cách đặc biệt tính ứng dụng mạng thực tế Sử dụng hai sợi quang sợi quang với hai/ba bước sóng khác giải pháp đơn giản để cung cấp truyền thông hai hướng Tuy nhiên, giải pháp yêu cầu số lượng sợi quang bước sóng lớn để hỗ trợ số lượng lớn BS Ngoài ra, nghiên cứu đưa truyền dẫn song hướng cho liên kết backhaul fronthaul dựa sợi quang Chi phí thách thức việc lắp đặt sợi quang hạn chế đáng kể nghiên cứu đó, đặc biệt khu vực thành thị Việc sử dụng cáp sợi quang thiếu mềm dẻo không phù hợp nhiều ứng dụng trường hợp sau thảm họa lớn Do vậy, chương này, mơ hình hệ thống lai ghép quang – vô tuyến, MMW/RoF, cho kết nối fronthaul mạng truy nhập vô tuyến để khắc phục nhược điểm đề xuất Trong kiến trúc kết nối fronthaul, CS kết nối với RAU qua liên kết MMW/RoF kết nối RAU RRH dựa liên kết vô tuyến sử dụng băng sóng MMW Thơng thường, tài ngun vật lý sợi quang tần số vô tuyến cần gấp đôi để cung cấp truyền dẫn song công hai hướng Để giảm tài nguyên yêu cầu, kỹ thuật chuyển tiếp bán song công hai hướng cho hệ thống lai ghép quang – vô tuyến sử dụng kỹ thuật MMW/RoF, RAU đóng vai trò làm nút chuyển tiếp CS RRH, đề xuất sử dụng Kiến trúc đề xuất có hiệu chi phí yêu cầu sợi quang với bước sóng tần số MMW cho truyền dẫn hai hướng cho đường lên đường xuống 17 4.2 ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH HỆ THỐNG MMW/RoF CHUYỂN TIẾP SONG HƯỚNG CHO MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN Dữ liệu đường xuống MMW sCS (t ) OF LD1 Cir2 Cir1 MZM1 PD1 Cir3 Delay Delay PD2 MZM2 Tín hiệu nhận CS Tín hiệu điện LD2 Tín hiệu quang RAU MMW RRH Cir4 Tín hiệu nhận LNA Delay Dữ liệu đường lên sRRH (t ) Hình 4.3 Hệ thống fronthaul quang – vô tuyến hai hướng bán song công sử dụng MMW/RoF ANC Sơ đồ khối kiến trúc hệ thống fronthaul chuyển tiếp song hướng đề xuất sử dụng công nghệ MMW/RoF hình 4.3 4.3 KHẢO SÁT HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG MMW/RoF CHUYỂN TIẾP SONG HƯỚNG SỬ DỤNG ANC Trong phần này, hiệu hệ thống MMW/RoF chuyển tiếp song hướng sử dụng ANC đề xuất phân tích mặt thơng lượng, ảnh hưởng nhiều tham số lớp vật lý thu, sợi quang,và kênh vô tuyến, bao gồm nguồn nhiễu, tán sắc sợi quang fading kênh vô tuyến Hai kỹ thuật chuyển tiếp giải mã chuyển tiếp (decode-and-forward -DF) khuếch đại chuyển tiếp (amplify-and-forward - AF) xem xét so sánh với kỹ thuật chuyển tiếp truyền thống Trước tiên tỉ số công suất tín hiệu nhiễu cho đường lên đường xuống tính tốn Dựa vào tỉ số SNR đó, hiệu hệ thống, mặt thơng lượng, phân tích phụ thuộc vào tham số vật lý nêu 18 4.3.1 Hệ số kênh Giả thiết xét đến suy hao sợi quang tán sắc sợi quang, hệ số kênh quang tính sau: (4.1) h1 exp( L)hCD , đó, hệ số suy hao sợi quang, L chiều dài sợi quang CS RAU hCD suy giảm cơng suất tín hiệu tán sắc sắc thể gây ra, tính theo cơng thức 2.34 Đối với kênh vô tuyến sử dụng băng tần MMW, truyền thơng LOS anten định hướng có hệ số khuếch đại cao sử dụng, tín hiệu chịu ảnh hưởng suy hao đường truyền Khi đó, hệ số kênh liên kết MMW biểu diễn sau: h2 GTx GRx , PL (4.2) đó, GTx GRx hệ số khuếch đại anten phát thu tương ứng; PL suy hao tổng liên kết vô tuyến, xác định công thức 2.22 4.3.2 SNR đường xuống Tỉ số cơng suất tín hiệu nhiễu đường xuống tính sau: d h2 m1212 PCS2 2 h2 RAU RRH (4.8) 4.3.3 SNR đường lên Tỉ số SNR đường lên tính sau: u 2 h1PRAU m2 CS PRRH (4.12) 4.3.4 Thơng lượng hệ thống Thơng lượng chuẩn hóa hệ thống ANC sử dụng AF đề xuất tính bởi: 19 TnANC ANC peANC u pe d , (4.14) đó, TnANC thơng lượng chuẩn hóa hệ thống đề xuất 4.3.5 Kết khảo sát hiệu hệ thống MMW/RoF sử dụng ANC Hình 4.5 Thơng lượng chuẩn hóa phụ thuộc vào cơng suất phát CS RRH cho hệ thống chuyển tiếp dựa vào ANC với d = 100 m, L = 20 km Nb =1000 bit Kịch đưa để khảo sát thơng lượng chuẩn hóa hệ thống đề xuất biến thiên theo công suất phát quang công suất phát vô tuyến Kết kịch thể hình 4.5 Thơng lượng chuẩn hóa cải thiện công suất phát quang hay vô tuyến tăng Tuy nhiên, công suất phát vô tuyến tăng làm ảnh hưởng đến SNR đường lên thơng lượng chuẩn hóa tối đa 0.5 PCS , RAU nhỏ giá trị ngưỡng (8.5 dBm) Trong đó, cơng suất phát quang ảnh hưởng đến SNR đường lên đường xuống, kết là, thơng lượng chuẩn hóa tối đa, có giá trị 1, đạt cơng suất quang vượt qua mức ngưỡng (từ 8.5 dBm trở lên) 20 Hình 4.6 Thơng lượng chuẩn hóa phụ thuộc vào công suất phát quang cho hệ thống chuyển tiếp dựa ANC với d = 100 m, L = 20 km Nb =1000 bit Kịch đưa để khảo sát ảnh hưởng công suất phát quang vào thơng lượng chuẩn hóa hệ thống đề xuất sử dụng chuyển tiếp ANC Các tham số độ dài sợi quang, khoảng cách vô tuyến số bit gói tin giữ nguyên kịch trước Tham số cơng suất phát vơ tuyến hệ số khuếch đại anten phát anten thu thay đổi hình 4.6 Kết đồ thị cho thấy cách tăng công suất phát RF hệ số anten phát anten thu, cơng suất phát quang u cầu giảm Đồ thị với PRRH tăng (hoặc tổng GTx GRx ) khoảng 10 dB lợi dB công suất phát quang yêu cầu CS RAU Tuy nhiên, việc tăng công suất phát vô tuyến tăng hệ số khuếch đại đóng vai trò khác Ví dụ, PCS , RAU nằm dải (trong kịch dải [-4.5, 2] dBm), việc tăng hệ số khuếch đại anten không giúp cải thiện thông lượng nhiều tăng công suất phát vô tuyến Mặt khác, PCS , RAU lớn giá trị ngưỡng (2 dBm), tăng hệ số khuếch đại anten lựa chọn tốt 21 4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương này, mô hình giải pháp cải thiện hiệu mặt thông lượng kết nối fronthaul mạng truy nhập vô tuyến sử dụng MMW/RoF kết hợp kỹ thuật chuyển tiếp dựa ANC đề xuất Trong kiến trúc đề xuất, truyền dẫn hai hướng triển khai phân hệ quang phân hệ vô tuyến với việc sử dụng ANC Ngoài ra, kiến trúc đề xuất đơn giản u cầu sợi quang bước sóng cho liên kết quang, tần số MMW cho liên kết vô tuyến Hiệu hệ thống xem xét ảnh hưởng nhiều tham số lớp vật lý, bao gồm nguồn nhiễu, tán sắc sợi quang fading kênh vô tuyến Hai kỹ thuật chuyển tiếp dựa ANC DNC xem xét so sánh với kỹ thuật chuyển tiếp truyền thống Các kết khảo sát hiệu khơng minh chứng cho tính khả thi hệ thống đề xuất mà cho thấy độ lợi thông lượng ANC sử dụng KẾT LUẬN Nội dung luận án đạt mục tiêu đề phân tích đồng thời yếu tố ảnh hưởng đến hiệu hệ thống MMW/RoF với kịch ứng dụng khác đề xuất giải pháp cải thiện hiệu hệ thống triển khai mạng truy nhập vô tuyến băng rộng Các kết đóng góp khoa học luận án phân thành ba nhóm sau: Xây dựng mơ hình giải tích để đánh giá hiệu hệ thống MMW/RoF tác động đồng thời từ phân hệ truyền dẫn sợi quang RoF phân hệ truyền dẫn vô tuyến MMW Đề xuất giải pháp sử dụng giải pháp ghép kênh không gian sợi quang phân tập không gian đường truyền vô tuyến nâng cao hiệu hệ thống MMW/RoF Đề xuất sử dụng mã hóa mạng cải thiện hiệu hệ thống MMW/RoF hai hướng bán song công Hướng nghiên cứu luận án tập trung vào nghiên cứu ứng dụng công nghệ MMW/RoF cho kịch cụ thể có tính cấp thiết cao mạng truy nhập vơ tuyến băng rộng cho đường sắt cao tốc, tầu điện ngầm hay cho tầng hầm tòa nhà 22 CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ BÀI BÁO KHOA HỌC [J1] Pham Anh Thu, Dang The Ngoc, and Vu Tuan Lam, “Performance Analysis of OFDM Millimeter-wave RoF Systems using APD Receiver”, VAST Journal of Science and Technology, vol 53, no 2C, pp 135-147, Dec 2015 (Tạp chí Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam) [J2] Thu A Pham, Hai Chau Le, Lam T Vu, and Ngoc T Dang, “Performance Analysis of Gigabit-Capable Radio Access Networks Exploiting TWDM-PON and RoF Technologies”, PTIT Journal of Science and Technology on Information and Communications, vol 1, no 2, pp 78-86, Sept 2016 (Tạp chí Khoa học cơng nghệ Thơng tin Truyền thơng, Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng) [J3] Pham Anh Thư (*), Vũ Tuấn Lâm, “Cải thiện hiệu hệ thống MMW-RoF sử dụng ghép kênh phân cực phân tập không gian”, Journal of Science and Technology on Information and Communications, pp 10-16, 2016 (Tạp chí Khoa học cơng nghệ Thông tin Truyền thông, Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng) [J4] Thu A Pham, Hien T T Pham, Hai-Chau Le, and Ngoc T Dang, “Numerical Analysis of the Performance of Millimeter-wave RoF-based Cellular Backhaul Links“, Journal of Optical Communications DOI: 10.1515/joc-2016-0028, June 2016 (Tạp chí quốc tế ISI Scopus) [J5] Thu A Pham, Hien T T Pham, Hai-Chau Le, and Ngoc T Dang, "High-Capacity Mixed Fiber-Wireless Backhaul Networks Using MMW Radio-over-MCF and MIMO" Optics Communications, vol 40, pp 43-49, Oct 2017 (Tạp chí quốc tế ISI với SCI-indexed) [J6] Thu A Pham, Lam T Vu, and Ngoc T Dang, “A Novel Bidirectional HalfDuplex Fronthaul System using MMW-RoF and Analog Network Coding,” Physical Communication, vol 28, pp 116-122, June 2018 (Tạp chí quốc tế ISI) HỘI NGHỊ KHOA HỌC [C1] [C2] [C3] Thu A Pham, Hien T T Pham, Lam T Vu, and Ngoc T Dang, “Effects of Noise and Distortion on Performance of OFDM Millimeter-wave RoF Systems” In the Proc of the second IEEE/NAFOSTED Conference on Information and Computer Science (NICS 2015), Hochiminh, Vietnam, Sept 2015, pp 153-157 Thu A Pham, Hien T T Pham, Hai-Chau Le, and Ngoc T Dang, “Performance Analysis of MMW-RoF Link in Broadband Optical-Wireless Access Networks” In the Proc of the third IEEE/NAFOSTED Conference on Information and Computer Science (NICS 2016), Danang, Vietnam, Sept 2016, pp 153-158 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-and-Forward Relaying,” In the Proc of the 2017 IEEE International Conferences on Advanced Technologies for Communications (ATC 2017), Quy Nhon, Vietnam, Oct 2017, pp 186-191 ... định chọn đề tài: Giải pháp nâng cao hiệu hệ thống truy n sóng milimet qua sợi quang cho mạng truy nhập vô tuyến băng rộng cho luận án nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu luận án nhằm phân tích đồng... hao sợi quang Tán sắc sợi quang Các hiệu ứng quang phi tuyến Ảnh hưởng kênh vô tuyến 1.4 CÁC THÁCH THỨC TRONG VIỆC NÂNG CAO HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG MMW/RoF Các thách thức việc nâng cao hiệu hệ thống. .. mạng truy nhập vô tuyến CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 HỆ THỐNG TRUY N TÍN HIỆU VƠ TUYẾN Ở BĂNG TẦN MILIMET QUA SỢI QUANG Sơ đồ khối hệ thống MMW/RoF thể hình 1.5 Một hệ thống truy n