Nghiên cứu đặc tính của hệ thống thông tin quang không dây (FSO) sử dụng kỹ thuật phân tập không gian

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG LÊ TIẾN KHOA NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG KHÔNG DÂY (FSO) SỬ DỤNG KỸ THUẬT PHÂN TẬP KHÔNG GIAN Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.02.03 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2016 Cơng trình đƣợc hồn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN TUẤN Phản biện 1: TS NGUYỄN QUANG NHƢ QUỲNH Phản biện 2: TS TRẦN THẾ SƠN Luận văn đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 26 tháng năm 2016 * Có thể tìm hiểu luận văn tại: Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ngày nay, với nhu cầu sử dụng dịch vụ truyền dẫn thông tin ngƣời sử dụng ngày tăng, đòi hỏi nhà cung cấp dịch vụ phải phát triển kỹ thuật để đáp ứng Trong FSO lên nhƣ cơng nghệ đạt đƣợc thành cho việc mạng thông tin tốc độ liệu cao, băng thông rộng, giá rẻ, linh hoạt thiết kế lắp đặt.Có thể xem FSO mạng xƣơng sống tạm thời cho sở hạ tầng mạng thông tin di động phát triển nhanh Công nghệ FSO đời hứa hẹn nhiều triển vọng tốt Tuy nhiên kỹ thuật FSO điều kiện khí hậu nhƣ Việt Nam gặp nhiều khó khăn, vấn đề Fading hay tán xạ, nhiễu loạn khí gây suy giảm đáng kể cho đƣờng truyền tín hiệu Vì đồ án nghiên cứu đặc tính đƣờng truyền tín hiệu điều kiện nhiễu loạn khí với hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật phân tập không gian Nhờ nâng cao dung lƣợng hệ thống, giảm ảnh hƣởng fading, giảm nhiễu để giải vấn đề nâng cao chất lƣợng tín hiệu thực tế Xuất phát từ lý trên, chọn nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu đặc tính hệ thống thông tin quang không dây (FSO) sử dụng kỹ thuật phân tập không gian” Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu hệ thống truyền dẫn quang khơng dây (FSO) điều kiện khí hậu nhiễu loạn - Nghiên cứu xây dựng mơ hình nhiễu loạn khí - Nghiên cứu đánh giá chất lƣợng tín hiệu truyền dẫn quang khơng dây kết hợp với kỹ thuật phân tập không gian Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: kỹ thuật truyền dẫn quang không dây môi trƣờng nhiễu loạn khơng khí - Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật phân tập không gian Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu đề tài kết hợp lý thuyết, tính tốn với mô phần mềm để so sánh đánh giá kết Cụ thể phƣơng pháp nghiên cứu bao gồm giai đoạn sau: - Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết: tìm hiểu kiến thức bản, cơng thức tính nhƣ 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 ƣu - Đề xuất, kiến nghị giải pháp thay nâng cấp cho đề tài Bố cục luận văn Luận văn gồm chƣơng nhƣ sau CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG KHÔNG DÂY CHƢƠNG 2: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN HỆ THỐNG FSO CHƢƠNG 3: KỸ THUẬT PHÂN TẬP CHƢƠNG 4: KHẢO SÁT HỆ THỐNG FSO SỬ DỤNG KỸ THUẬT PHÂN TẬP KHÔNG GIAN Tổng quan tài liệu nghiên cứu Tài liệu nghiên cứu đƣợc tham khảo từ báo, sách, nghiên cứu khoa học tác giả nƣớc CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG KHÔNG DÂY 1.1 GIỚI THIỆU CHƢƠNG Nội dung chƣơng đề cập đến nhu cầu băng thông ngƣời dùng Việt Nam, vấn đề mở rộng mạng truyền thơng tin vai trò FSO hệ thống thơng tin ngày nay, trình bày cấu trúc mạng truyền thông quang không dây bao gồm thu-phát quang (gồm khối thu khối phát) cung cấp khả thông tin hai chiều 1.2 NHU CẦU NGƢỜI DÙNG VÀ VAI TRÒ CỦA HỆ THỐNG FSO 1.2.1 Sự phát triển viễn thông Việt Nam 1.2.2 Vai trò FSO hệ thống thơng tin 1.3 TỔNG QUAN VỀ THƠNG TIN QUANG KHƠNG DÂY 1.3.1 Mơ hình hệ thống FSO Hệ thống FSO hoạt động với dải phổ hồng ngoại Thông thƣờng hệ thống FSO sử dụng bƣớc sóng gần với phổ nhìn thấy từ 850nm đến 1550nm, tƣơng ứng với tần số khoảng 200THz Bƣớc sóng 850nm 1550nm hai số ba bƣớc sóng thông dụng (cửa sổ tần số) đƣợc dùng thông tin quang Do bƣớc sóng đƣợc sử dụng thơng tin sợi quang nên có tính kinh tế việc chọn thiết bị truyền nhận Hệ thống gồm ba phần chính: Phần phát, phần thu đƣờng truyền Hệ thống truyền ánh sáng dải không thấy đƣợc an toàn với mắt từ trạm tới trạm khác sử dụng nguồn Laser công suất thấp 1.3.2 Phân loại hệ thống thông tin quang FSO Có hai hệ thống thơng tin quang là: hệ thống thông tin quang IM/DD hệ thống thông tin quang coherence Hệ thống thông tin quang IM/DD sử dụng điều biến cƣờng độ (IM intensity) tách ghép sóng trực tiếp (Direct Detector) Thơng tin pha khơng đóng vai trò quan trọng Đây hệ thống đời đầu tiên, đƣợc sử dụng rộng rãi mạng Việt Nam số nƣớc khác giới Hệ thống thông tin quang Coherence dựa ngun lí truyền sóng ánh sáng mang tín hiệu kết hợp với sóng ánh sáng khác phía thu quang Sự kết hợp pha đóng vai trò quan trọng hệ thống này, đƣợc gọi hệ thống thơng tin quang kết hợp (Coherence) 1.4 BỘ PHÁT QUANG 1.4.1 Cấu tạo chung 1.4.2 Laser diode - Giới thiệu Laser diode - Phân loại Laser diode - Nguyên lí hoạt động Laser diode - Khuếch đại quang dƣơng : Nghịch đảo tích lũy - Giam ánh sáng hốc - Tổn hao khuếch đại công suất 1.5 BỘ THU QUANG 1.5.1 Cấu tạo chung 1.5.2 Diode quang bán dẫn 1.5.3 Photodiode PIN - Cấu tạo nguyên lý hoạt động - Hiệu suât lƣợng tử photodiode PIN - Hệ số chuyển đổi quang điện - Tốc độ đáp ứng - Băng thông 1.5.4 Diode quang APD 1.5.5 Hệ thống bám đuổi tiếp nhận sóng - Tự động bám đuổi - Gimbal - Bộ cảm biến xung quanh - Mảng CCD 1.6 TÍNH AN TỒN KHI SỬ DỤNG LASER Khi lắp đặt hệ thống thông tin quang không dây, thiết bị phát tạo chùm LASER vào khu vực có ngƣời sinh sống nên đảm bảo an toàn cho mắt ngƣời trở nên quan trọng Vì đặc tính mắt ngƣời khác hai khoảng bƣớc sóng quang chiếm ƣu nên việc xem xét an tồn cho mắt đóng vai trò quan trọng tồn việc phát triển thƣơng mại 1.7 ƢU VÀ NHƢỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN FSO 1.7.1 Ƣu điểm 1.7.2 Nhƣợc điểm 1.8 KẾT LUẬN CHƢƠNG Sự phát triển kinh tế xã hội đất nƣớc nhu cầu sử dụng internet doanh nghiệp cá nhân ngày tăng lên cách nhanh chóng Vì vậy, u cầu băng thơng lớn cung cấp đến khách hàng ngày cấp bách Trong thị lớn, việc tìm giải pháp cho tuyến kết nối nhà cung cấp khách hàng vấn đề đáng quan tâm Vì truyền thơng quang tốc độ cao đóng vai trò quan trọng mạng viễn thông FSO không đáp ứng yêu cầu truyền thông quang với tốc độ cao, mà đồng thời đem lại chi phí hiệu quả, triển khai nhanh, truyền dẫn thơng tin cách an tồn tin cậy Tuy nhiên, ảnh hƣởng môi trƣờng truyền dẫn, khả ứng dụng FSO bị giới hạn ứng dụng với cự ly truyền thông ngắn CHƢƠNG CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN HỆ THỐNG FSO 2.1 GIỚI THIỆU CHƢƠNG Nhƣợc điểm lớn phụ thuộc lớn FSO vào môi trƣờng truyền Môi trƣờng không gian tự môi trƣờng mở, khả dự đốn Việc truyền dẫn qua mơi trƣờng mà gặp khơng khó khăn Chính thế, việc xác định nguyên nhân gây tổn hao đến chất lƣợng hệ thống thông tin quang không dây mang ý nghĩa đặc biệt quan trọng Mặt khác, để có đƣợc tuyến truyền dẫn ổn định, việc dự đốn trƣớc tác động xấu từ mơi trƣờng gây suy giảm chất lƣợng tuyến truyền giúp tìm đƣợc phƣơng án phù hợp để khắc phục tác động xấu Nhiều mơ hình mơ trạng thái không gian tự đƣợc phát minh nhằm đƣa dự đoán sát với thực tế, qua giúp hạn chế phần ảnh hƣởng xấu môi trƣờng đến tuyến truyền dẫn Nội dung chƣơng đề cập đến nguyên nhân gây suy hao tuyến truyền thƣờng gặp giới thiệu hai mơ hình mơ khơng gian tự phổ biến 2.2 NHỮNG YẾU TỐ MÔI TRƢỜNG ẢNH HƢỞNG HỆ THỐNG FSO 2.1.1 Tìm hiểu mơi trƣờng khí - Cấu trúc lớp khí - Sự tồn hạt Aerosol 2.2.2 Hiện tƣợng hấp thụ 2.2.3 Hiện tƣợng tán xạ 2.2.4 Hệ số nhấp nháy môi trƣờng truyền 2.3 SUY HAO TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG FSO 2.3.1 Suy hao môi trƣờng truyền dẫn 2.3.2 Suy hao kênh truyền khí - Suy hao sƣơng mù, bụi sƣơng nhẹ - Suy hao mƣa - Suy hao tuyết mƣa đá 2.3.3 Suy hao nhiễu loạn khơng khí 2.3.4 Những yếu tố khác ảnh hƣởng đến suy hao - Tầm nhìn xa - Khoảng cách truyền - Tầm nhìn thẳng - Bƣớc sóng truyền dẫn 2.4 LỖI ĐỊNH HƢỚNG 2.5 MƠ HÌNH KÊNH NHIỄU LOẠN KHƠNG KHÍ 2.5.1 Mơ hình Log-normal Trƣờng xạ (cƣờng độ) môi trƣờng nhiễu loạn I=|A(r)| cƣờng độ không gian tự (không có nhiễu loạn) đƣợc cho cơng thức I0|A0(r)|2, cƣờng độ theo hàm log đƣợc cho công thức: A(r ) l  log e  2 A0 (r ) (2.17) Do đó, I= I0 exp(l) (2.18) Để đạt đƣợc hàm mật độ xác suất xạ, sử dụng biến đổi : d(χ) p(I) = p(χ) | d(I) | Từ tới hàm phân bố Log-normal cho công thức:    ln(I/ I0   E  l    p( I )  exp  I  2 I 2 l 2     (2.19) Trong phạm vi thăng giáng yếu, thông số thăng giáng xạ cho thấy qua thực nghiệm tuân theo phân bố Log-normal Với phƣơng sai cƣờng độ theo hàm log 2l = 42x , cƣờng độ Log trung bình E[l] = 2E[X] (2.20) Dựa giả thiết, ta đƣa đƣợc E [exp(l)] = E [I/I0] = khơng có mát lƣợng q trình phân tán nhiễu loạn theo nghĩa E [I] = I0 Kỳ vọng, E[l] đạt đƣợc cách sử dụng mối quan hệ tiêu chuẩn nhƣ công thức (2.70), công thức phù hợp cho biến Gauss ngẫu nhiên giá trị thực Biểu thức cho E[l] đạt đƣợc tính theo bƣớc nhƣ sau: Do đó: E[exp (az)] = exp (aE[z] +0.5a22z) (2.21) l = exp ( E [l] + 0.52l ) (2.22) E[l] = - l /2 (2.23) Sau có đƣợc hàm mật độ xác suất thăng giáng xạ, việc rút biểu thức cho phƣơng sai biến đổi xạ 2I Đây đặc tính hóa cho độ mạnh biến đổi xạ Ta có 2I = E [I2] – E [I]2 = I20 { E [exp (2l)] – E [exp (l)]2} (2.24) 10 CHƢƠNG KỸ THUẬT PHÂN TẬP 3.1 GIỚI THIỆU CHƢƠNG Trong hệ thống thông tin vô tuyến, phân tập phƣơng pháp dùng viễn thông dùng để nâng cao độ tin cậy việc truyền tín hiệu cách truyền tín hiệu giống nhiều kênh truyền khác để đầu thu chọn số tín hiệu thu đƣợc kết hợp tín hiệu thành tín hiệu tốt Việc nhằm chống lại fading nhiễu kênh truyền khác chịu fading nhiễu khác Chƣơng đƣa khái niệm tổng quan kỹ thuật phân tập, ƣu khuyết điểm nó, phân loại kỹ thuật phân tập không gian phƣơng pháp kết hợp phân tập 3.2 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT PHÂN TẬP Kỹ thuật phân tập dựa mơ hình mà thu nhận đƣợc chép tín hiệu phát, tất sóng mang có thơng tin nhƣng tƣơng quan Fading thống kê nhỏ Ý tƣởng phân tập chỗ, hai nhiều mẫu độc lập tín hiệu đƣợc đƣa tới mẫu bị ảnh hƣởng Fading độc lập với nhau, có nghĩa số chúng, có tín hiệu bị ảnh hƣởng nhiều, mẫu khác bị ảnh hƣởng 3.2.1 Phân tập thời gian Phân tập theo thời gian thƣờng đƣợc sử dụng kênh truyền biến đổi qua thời gian, điều thƣờng xảy với trƣờng hợp máy thu hay phát chuyển động tƣơng Phân tập theo thời gian thu đƣợc qua mã hóa xen kênh 11 Với kỹ thuật phân tập thời gian độ lợi phân tập tăng lên, tác động kênh truyền lên tín hiệu đƣợc cải thiện.Tuy nhiên, phân tập thời gian làm giảm tốc độ truyền liệu 3.2.2 Phân tập tần số Trong phân tập tần số, sử dụng thành phần tần số khác để phát thông tin Các tần số cần đƣợc phân chia để đảm bảo bị ảnh hƣởng fading cách độc lập Khoảng cách tần số phải lớn vài lần băng thông quán để đảm bảo fading tần số khác không tƣơng quan với Trong hệ thống truyền thông, phiên tín hiệu phát thƣờng đƣợc cung cấp cho nơi thu dạng dƣ thừa miền tần số đƣợc gọi trải phổ, ví dụ nhƣ trải phổ trực tiếp, điều chế đa sóng mang nhảy tần Phân tập tần số gây tổn hao hiệu suất băng thông tùy thuộc vào dƣ thừa thông tin băng tần số 3.2.3 Phân tập không gian Phân tập khơng gian gọi phân tập anten Phân tập không gian đƣợc sử dụng phổ biến truyền thông không dây Phân tập không gian sử dụng nhiều anten đƣợc xếp không gian phía phát phía thu Các anten đƣợc phân chia khoảng cách đủ lớn, cho tín hiệu không tƣơng quan với 3.3 PHÂN LOẠI KỸ THUẬT PHÂN TẬP KHÔNG GIAN 3.3.1 Hệ thống MISO 3.3.2 Hệ thống SIMO 3.3.3 Hệ thống MIMO 3.4 CÁC PHƢƠNG PHÁP TỔ HỢP PHÂN TẬP THU 3.4.1 Phƣơng pháp tổ hợp theo kiểu quét lựa chọn 12 a Phương pháp tổ hợp lựa chọn Trong tổ hợp lựa chọn SelC, từ tập hợp Nr phần tử anten, nhánh có tỉ số tín hiệu nhiễu SNR lớn đƣợc chọn đƣa vào xử lí Nhƣ số anten lớn số phần tử lớn anten mảng khả có đƣợc tỉ số tín hiệu nhiễu lớn Trong thực tế, tín hiệu có lƣợng (tín hiệu cộng nhiễu) lớn đƣợc chọn b Phương pháp tổ hợp kiểu quét Trong tổ hợp kiểu quét TC, quét quét tất nhánh nhận đƣợc từ anten nhận lựa chọn nhánh có tỉ số SNR lớn ngƣỡng đƣợc cho trƣớc Đến nhánh có SNR nhỏ mức ngƣỡng quét quét lại tất nhánh để chọn nhánh có SNR lớn mức ngƣỡng cho Vì phƣơng pháp thời điểm có tín hiệu đƣợc chọn nên khơng u cầu đồng pha nhánh 3.4.2 Phƣơng pháp tổ hợp với tỉ số tối đa Với phƣơng pháp tổ hợp kiểu quét lựa chọn, tín hiệu đầu tổ hợp tín hiệu nhánh riêng biệt Phƣơng pháp tổ hợp với tỉ số tối đa MRC đƣa tất tín hiệu từ nhánh thu đƣợc vào xử lí Phƣơng pháp tổ hợp tỉ số tối đa tận dụng tốt khả nhánh phân tập hệ thống Tất H nhánh đƣợc nhân trọng số với tỉ số tín hiệu tức thời nhiễu tƣơng ứng Sau tín hiệu từ nhánh đƣợc đồng pha trƣớc lấy tổng tín hiệu cho tất nhánh đƣợc gộp vào theo pha cho tín hiệu đầu có tăng ích phân tập lớn Tín hiệu tổng tín hiệu thu đƣợc 13 3.4.3 Phƣơng pháp tổ hợp cân độ lợi Trong kỹ thuật MRC phải yêu cầu biết biến đổi SNR nhánh theo thời gian, nhiên thơng số khó đo đƣợc Vì đơn giản hóa MRC ngƣời ta dùng kỹ thuật cân độ lợi EGC Về chất phƣơng pháp EGC giống với MRC, sử dụng tất tín hiệu nhánh để đƣa vào xử lí Đây kỹ thuật chuyển đổi tất giá trị độ lợi nhánh không thay đổi trình hoạt động Đầu tổng tín hiệu đồng pha tất nhánh 3.5 ƢU NHƢỢC ĐIỂM CỦA KỸ THUẬT PHÂN TẬP 3.5.1 Ƣu điểm 3.5.2 Nhƣợc điểm 3.6 KẾT LUẬN CHƢƠNG Chƣơng trình bày tổng quan kỹ thuật phân tập thời gian, tần số không gian Phân loại hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật phân tập không gian nhƣ SIMO, MISO, MIMO đƣa phƣơng pháp tổ hợp phân tập phƣơng pháp tổ hợp kiểu lựa chọn, kiểu quét, phƣơng pháp tổ hợp với tỉ số tối đa phƣơng pháp tổ hợp cân độ lợi CHƢƠNG KHẢO SÁT HỆ THỐNG FSO SỬ DỤNG KỸ THUẬT PHÂN TẬP KHÔNG GIAN 4.1 GIỚI THIỆU CHƢƠNG Nội dung chƣơng trình bày mơ mơ hình hệ thống thơng tin FSO sử dụng kỹ thuật phân tập không gian Các chƣơng trình Matlab đƣa kết mơ hệ thống sử dụng mơ hình nhiễu loạn khí quyển, đánh giá mức độ ảnh hƣởng khác nhiễu loạn khí với hệ thống FSO Mô hệ 14 thống FSO sử dụng phân tập không gian so sánh với hệ thống không sử dụng chúng 4.2 THƠNG SỐ MƠ HÌNH KHẢO SÁT 4.3 TÍNH TỐN KHẢO SÁT HỆ THỐNG FSO 4.3.1 Điều chế cƣờng độ sóng mang phụ Trong luận văn sóng mang phụ đƣợc điều chế cách sử dụng BPSK, phƣơng pháp điều chế khác đƣợc sử dụng điều lợi hệ thống điều chế cƣờng độ sóng mang phụ SIM Xem xét biến động khí yếu, sử dụng mơ hình Log-normal mơ nhiễu loạn, ta có hàm mật độ xác suất (Probability Density Function) PDF với cƣờng độ I = Io exp (l) đƣợc cho công thức: pI ( I )   (ln(I/ I0 )  0.5 l2 )  1  exp   2 l2 2 l I   (4.1) Với số lƣợng Nsub sóng mang phụ, tín hiệu ghép sóng mang phụ thời gian kí tự thứ k đƣợc cho bởi: M m(t )   A j g (t  kT ) d k cos (w cj t   j ) (4.3) j 1 Tỉ số tín hiệu nhiễu (SNR e) sóng mang phụ γ đƣợc cho cơng thức: (I  RA) (4.6) 2 4.3.2 Tính tốn hiệu hệ thống a Xác suất hệ thống gián đoạn với kênh nhiễu loạn Log-  (I)  normal Trong mơi trƣờng nhiễu loạn khí quyển, xác xuất gián đoạn hệ thống : 15 Pout  P  m ( I )   *  Io /m   (ln I / I   l / 2)  exp   dI 2 l I 2 l       Q  ln m  l    l (4.10) Công suất dự trữ tuyến hệ thống với nhiễu loạn khí quyển:  m  exp 2ln 2Pout l   l /  (4.11) b Hệ thống không sử dụng kỹ thuật phân tập Tỉ số lỗi bit đƣợc cho Pe    /2   K exp(2( 2 l xi   l / 2))  w exp  d  i   2sin ( )  i 1   n   n  w Q  Ke  i 1 i x i 2 l  l /2    (4.12) c Hệ thống sử dụng kỹ thuật phân tập thu Đầu tách sóng với ký tự đƣợc cho : N  R  irt  I i 1   Aj g (t ) cos cj   j    n(t ) N  j 1  (4.13) Với i=1,2,…N SNRe đƣợc biểu diễn bởi: N N  N  (RA  / N)   I i  (RA  / N)  ai2  I i2  i 1   i 1 i 1  N N  2 i2 / N  2 i2 / N i 1 i 1 (4.14) 16 + Phƣơng pháp tổ hợp phân tập MRC Với phƣơng pháp tổ hợp phân tập MRC, hệ số ai i 1  I i i 1 , N N SNRe tối ƣu đƣợc cho công thức :  RA     2N   MRC  I    N I i2  i 1  i N   i ( Ii ) (4.15) i 1 Trong :  RA  I  i +  i ( Ii )    SNR cho nhánh truyền  N  i   BER phƣơng pháp tổ hợp phân tập MRC đƣợc tính :   Pe(MRC)   Q   MRC  I  PT I d I     /2  0  S    d   N (4.16) + Phƣơng pháp tổ hợp phân tập EGC Đối với phƣơng pháp tổ hợp EGC, hệ số độ lợi ai i 1 đƣợc N giả thiết tất nhánh số SNR e đƣợc cho công thức:  EGC   RA    N   RA   I     Ii      N   i 1   N    Nhƣ vậy,  EGC I <  Pe( EGC )   o =   /2  o I i2  i 1  i (4.17)  EGC  I  BER đƣợc tính :   K12 exp   Z Pz d dZ  2sin    wQK e  N n i 1 i xi 2 u  u  (4.18) 17 + Phƣơng pháp tổ hợp phân tập SelC Ở phƣơng thức này, kết hợp mẫu thu đƣợc nhánh truyền chọn nhánh truyền với SNRe lớn nhất, điều khác với việc kết hợp dòng quang nhƣ trƣờng hợp MRC EGC SNR BER đƣợc tính nhƣ sau; R A2 I max  SelC (I)  N Với (4.19) Imax  max I1, I2 , I3 , I N  Pe( SelC )  21n N  n  w 1  erf ( x ) i 1 i i N 1  Q Ko exp  xi l   l2 / 2  (4.20) Với K0  RI0 A / 2N + Xác xuất hệ thống gián đoạn Với mEGC công suất tổn hao thêm để đạt xác xuất gián đoạn hệ thống POut  * SNR trƣờng hợp khơng có nhiễu loạn khí quyển, ta có :  ln(mEGC / N )  u  POut  Q   u   (4.22) Áp dụng giới hạn Chernoff Q  x   0.5exp(x2 / 2) , giá trị xấp xỉ mEGC đƣợc tính theo POut là: mEGC  N exp  2 u ln(2Pout )  u  (4.23) Ta có độ lợi phân tập theo phƣơng thức tổ hợp tuyến tính EGC với xác xuất gián đoạn hệ thống cho: 18 Gain    exp  l2  u  2 l2 ln  POut   2 u2 ln  POut  (4.24) N d Hệ thống sử dụng kỹ thuật phân tập phát SNRe sóng mang phụ đƣợc tính nhƣ sau:  MISO   R A   H  I     Ii   H   i 1   (4.26) Có giống biểu thức (4.26) (4.17) BER hệ thống phân tập máy phát hệ thống phân tập máy thu giống hệ thống sử dụng phƣơng pháp tổ hợp EGC e Hệ thống sử dụng kỹ thuật phân tập thu phát SRNe đƣợc tính công thức :   R A   N H  I     I ij   H    i 1 j 1   (4.27) Biểu thức hiểu biểu diễn hệ thống phân tập máy thu sử dụng NxH tách sóng quang với phƣơng pháp tổ hợp EGC Do đó, BER thu đƣợc cách thay N NxH biểu thức (4.18) Với hệ thống sử dụng MRC, ta có SNRe :  R A N H   R A 2  NH 2  i  Ii     Iij       Ii   HN i 1 j 1   H   i 1  BER phƣơng pháp MRC : Pe( MRC )    /2  S   N d (4.28) (4.29) 19 4.4 KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT 4.4.1 Khảo sát hệ thống SIM-FSO đa sóng mang phụ Hình 4.3 Đồ thị BER hệ thống SIM-FSO điều kiện nhiễu loạn  l2 =0.3 với số lượng sóng mang phụ thay đổi Nsub=[1,2,5,10] 4.4.2 Khảo sát xác suất gián đoạn hệ thống FSO điều kiện nhiễu loạn khí Hình 4.4 Đồ thị xác xuất gián đoạn hệ thống FSO kênh truyền nhiễu loạn khí với  l2 =[0.1, 0.3, 0.5, 1] 20 4.4.3 Khảo sát hệ thống FSO môi trƣờng nhiễu loạn khí với mơ hình Log-normal sử dụng kỹ thuật phân tập không gian a Khảo sát hệ thống dùng kỹ thuật phân tập thu Hình 4.6 Đồ thị BER hệ thống SIMO-FSO sử dụng số tách quang N=[1,2,3,4] môi trường nhiễu loạn  l2 = 0.3 với phương pháp SelC Hình 4.7 Đồ thị BER hệ thống SIMO-FSO sử dụng số tách quang N=[1,2,3,4] môi trường nhiễu loạn  l2 = 0.3 với phương pháp EGC 21 Hình 4.8 Đồ thị BER hệ thống SIMO-FSO sử dụng số tách quang N=[2,3] môi trường nhiễu loạn thay đổi  l2 = [0,0.3,0.5,1] với phương pháp EGC Hình 4.9 Đồ thị xác xuất gián đoạn hệ thống FSO phân tập thu kênh truyền nhiễu loạn khí với  l2 =0.3 N=[1,2,3,4] 22 b Khảo sát hệ thống dùng kỹ thuật phân tập phát Hình 4.11 Đồ thị BER hệ thống MISO-FSO sử dụng số Laser phát H=[1,2,3,4,8] môi trường nhiễu loạn  l2 = 0.3 với phương pháp EGC c Khảo sát hệ thống dùng phân tập thu phát Hình 4.13 Đồ thị BER hệ thống MIMO-FSO sử dụng số tách quang Laser khác môi trường nhiễu loạn phương pháp EGC  l2 = 0.3 23 4.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG Trong chƣơng luận văn trình bày biểu thức tính tốn để khảo sát hệ thống SIM-FSO sử dụng kỹ thuật phân tập môi trƣờng nhiễu loạn khí với mơ hình Log-normal, trình bày cách thức tính tốn với hệ thống đa sóng mang phụ, tính tốn quỹ cơng suất dự trữ tuyến hệ thống, cơng thức tính tốn với phƣơng pháp tổ hợp cho phân tập không gian nhƣ MRC, EGC, SelC Qua việc khảo sát, ta thấy việc áp dụng kỹ thuật phân tập cho thấy chất lƣợng hệ thống đƣợc cải thiện so với hệ thống với thông số tƣơng đƣơng nhƣng không phân tập nhƣ giảm xác xuất lỗi, tăng chất lƣợng tín hiệu, giảm fading,… nhiên phân tập làm tăng độ phức tạp xử lí tín hiệu yêu cầu nhiều thu phát làm tăng kích thƣớc hệ thống KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI KẾT LUẬN Sự phát triển kinh tế xã hội đất nƣớc nhu cầu sử dụng internet doanh nghiệp cá nhân ngày tăng lên cách nhanh chóng Vì vậy, u cầu băng thơng lớn cung cấp đến khách hàng ngày cấp bách Trong thị lớn, việc tìm giải pháp cho tuyến kết nối nhà cung cấp khách hàng vấn đề đáng quan tâm Vì truyền thơng quang tốc độ cao đóng vai trò quan trọng mạng viễn thông FSO không đáp ứng yêu cầu truyền thông quang với tốc độ cao, mà đồng thời đem lại chi phí hiệu quả, triển khai nhanh, truyền dẫn thông tin cách an toàn tin cậy Luận văn trình bày tổng quan lý thuyết hệ thống thông tin quang không dây kỹ thuật phân tập không gian Luận văn xem xét yếu tố ảnh hƣởng đến việc thiết kế tuyến FSO nhƣ thời tiết, khoảng cách tuyến, tán xạ, hấp 24 thụ, bƣớc sóng Laser, tốc độ truyền liệu…Trong yếu tố ảnh hƣởng đến hệ thống FSO, yếu tố môi trƣờng truyền làm giảm chất lƣợng tín hiệu cách đáng kể Bên cạnh trình bày mơ hình dự đốn với tham số đƣờng truyền bao gồm suy hao đƣờng truyền, nhiễu loạn khơng khí yếu, mạnh lệch hƣớng… Nhờ mơ hình khảo sát hệ thống FSO theo thơng số khí quyển, từ thiết kế tuyến truyền dẫn sử dụng FSO đạt đƣợc hiệu hơn, qua nâng cao đƣợc chất lƣợng tiết kiệm chi phí Từ tập trung vào nghiên cứu mơ hình mơ hệ thống nhằm đƣa khảo sát gần với thực tế nhất, cho thấy phƣơng án để nâng cao chất lƣợng tín hiệu hệ thống truyền dẫn mơi trƣờng tự có sựu xuất nhiễu loạn khí Luận văn thực mô với phƣơng án khác hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật phân tập không gian với mơ hình nhiễu loạn khí Log-normal, từ giúp nghiên cứu đặc tính hệ thống nhằm áp dụng vào thực tế HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Trong điều kiện thời gian, kinh phí, thiết bị nên chƣa cho phép kiểm tra, khảo sát thực tế hệ thống FSO sử dụng phân tập không gian thực tế nhƣ tòa nhà cao tầng, khu dân cƣ có địa hình phức tạp Ngồi đồ án chƣa khảo sát nhu cầu doanh nghiệp, nhà cung cấp dịch vụ, ngƣời dùng cá nhân cho việc áp dụng công nghệ FSO với phân tập khơng gian Tuy từ mơ thấy ƣu điểm kỹ thuật phân tập không gian tuyến thông tin quang không dây Nếu phát triển đề tài này, tiến hành khảo sát nhu cầu thực tế doanh nghiệp, ngƣời dùng áp dụng thực tế ... chọn nghiên cứu đề tài: Nghiên cứu đặc tính hệ thống thơng tin quang không dây (FSO) sử dụng kỹ thuật phân tập không gian Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu hệ thống truyền dẫn quang không dây (FSO). .. suất thấp 4 1.3.2 Phân loại hệ thống thơng tin quang FSO Có hai hệ thống thơng tin quang là: hệ thống thơng tin quang IM/DD hệ thống thông tin quang coherence Hệ thống thông tin quang IM/DD sử dụng... nhảy tần Phân tập tần số gây tổn hao hiệu suất băng thông tùy thuộc vào dƣ thừa thông tin băng tần số 3.2.3 Phân tập không gian Phân tập không gian gọi phân tập anten Phân tập khơng gian đƣợc