Đánh giá hiệu năng hệ thống truyền thông không dây lai ghép RF FSO

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG - BÙI QUỐC VƢƠNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY LAI GHÉP RF/FSO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2016 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG - BÙI QUỐC VƢƠNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY LAI GHÉP RF/FSO CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG MÃ SỐ: 60.52.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS ĐẶNG THẾ NGỌC HÀ NỘI - 2016 i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Tác giả Bùi Quốc Vƣơng ii LỜI CẢM ƠN Để hồn thành đề tài luận văn thạc sĩ cách hoàn chỉnh, bên cạnh nỗ lực cố gắng thân cịn có hƣớng dẫn nhiệt tình Thầy, Cơ, giúp đỡ bạn bè suốt thời gian học tập nghiên cứu thực luận văn thạc sĩ Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS TS ĐẶNG THẾ NGỌC, Thầy trực tiếp hƣớng dẫn, bảo tận tình, chu đáo có nhận xét, góp ý quý báu giúp em suốt trình thực luận văn luận văn đƣợc hoàn thành Em xin gửi làm cảm ơn đến tất Thầy, Cơ giáo Học viện Cơng nghệ Bƣu Viễn thơng tận tình bảo tạo điều kiện thuận lợi để em đƣợc nghiên cứu học tập thời gian qua Hà Nội, 16 tháng 01 năm 2017 Học viên Bùi Quốc Vƣơng iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN… ii MỤC LỤC…… iii DANH MỤC HÌNH VẼ v DANH MỤC BẢNG BIỂU .vi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vii LỜI MỞ ĐẦU… CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY FSO .3 1.1 Giới thiệu hệ thống FSO 1.1.1 Các lợi thách thức hệ thống FSO 1.1.2 Ứng dụng công nghệ FSO 10 1.2 Mơ hình hệ thống FSO 12 1.2.1 Bộ phát 13 1.2.2 Bộ thu 16 1.3 Các yếu tố ảnh hƣởng lên hiệu hệ thống FSO 17 1.3.1 Nhiễu lƣợng tử 17 1.3.2 Nhiễu nhiệt 18 1.3.3 Nhiễu dòng tối nhiễu 19 1.3.4 Các yếu tố khác 19 1.4 Kết luận chƣơng 19 CHƢƠNG 2: CÁC MƠ HÌNH KÊNH TRUYỀN THƠNG KHƠNG DÂY 20 2.1 Suy hao hệ thống RF FSO 20 2.1.1 Suy hao hệ thống RF 20 2.1.2 Suy hao hệ thống FSO 21 2.2 Fading hệ thống RF 26 2.2.1 Hiện tƣợng đa đƣờng (Multipath) 26 2.2.2 Hiệu ứng Doppler 27 2.2.3 Các dạng kênh truyền 28 2.2.4 Các mơ hình kênh fading 30 iv 2.3Nhiễu loạn hệ thống FSO 2.3.1Nhiễu l 2.3.2Mơi trƣ 2.3.3Lệch hƣ 2.3.4Mơ hìn 2.4Kết luận chƣơng CHƢƠNG 3: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY LAI GHÉP RF/FSO 3.1Giới thiệu hệ thống lai ghép RF/FSO 3.2Mơ hình hệ thống 3.2.1Mơ hìn 3.2.2Mơ hìn 3.3Mơ hình tốn học đánh giá hiệu hệ thống 3.3.1Mơ hìn 3.3.2Tỷ lệ lỗ 3.3.3Khảo sá 3.4Các kết khảo sát 3.4.1Xác suấ 3.4.2Tỷ số lỗ 3.4.3Khảo sá 3.5Kết luận chƣơng KẾT LUẬN DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hiện tƣợng nghẽn cổ chai mạng .4 Hình 1.2: Các ảnh hƣởng bên ngồi tời hệ thống FSO .8 Hình 1.3: Mơ hình hệ thống FSO 12 Hình 1.4: Cấu tạo nguyên lý hoạt động Laser 14 Hình 2.1: Hiện tƣợng truyền sóng đa đƣờng 27 Hình 2.2: Hàm truyền đạt kênh 28 Hình 2.3a: Kênh truyền chọn lọc tần số ( f0  W ) 29 Hình 2.3b: Kênh truyền chọn lọc tần số ( f0 >W ) 29 Hình 2.4: Hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh 31 Hình 2.5: Hàm mật độ xác suất phân bố Ricean: k =  dB (Rayleigh), k = dB 33 Hình 2.6: Mơ hình lệch hƣớng chùm tia 36 Hình 3.1: Mơ hình hệ thống lai ghép RF/FSO 46 Hình 3.2: Xác suất dƣới ngƣỡng hệ thống điều kiện nhiễu loạn mạnh vừa với th = dB, [10] 56 Hình 3.3: Xác suất dƣới ngƣỡng hệ thống điều kiện nhiễu loạn mạnh vừa với th = 10 dB, [10] 57 Hình 3.4: BER hệ thống môi trƣờng nhiễu loạn với điều chế BPSK (   ) C = 1, [10] 58 Hình 3.5: BER trung bình hệ thống môi trƣờng nhiễu loạn với điều chế QPSK C = 1, [10] 59 Hình 3.6: So sánh BER hai điều chế BPSK QPSK nhiễu loạn vừa phải ( =  = 1,9; C = 1), [10] 60 Hình 3.7: So sánh BER hai điều chế BPSK QPSK nhiễu loạn mạnh (  = 4,2  = 1,4) với C = 1, [10] 61 Hình 3.8: Xác suất dƣới ngƣỡng hệ thống nhiễu loạn mạnh (  = 4,2  = 1,4) với  khác th 10 dB , [10] 62 Hình 3.9: BER trung bình có lệch hƣớng mơi trƣờng nhiễu loạn mạnh (  = 4,2  = 1,4) với  khác C = 1, [10] 63 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Bảng so sánh FSO số công nghệ khác Bảng 1.2: Các loại nguồn quang 15 Bảng 1.3: Bộ tách sóng FSO 17 Bảng 2.1: Các phần tử khí có kênh truyền 25 Bảng 2.2: Bán kính trình tán xạ hạt tán xạ điển hình có khơng khí  = 850 nm 27 Bảng 2.3: Điều kiện thời tiết giá trị tầm nhìn 28 Bảng 2.4: Giá trị NMSE giá trị xác xấp xỉ hp 32 Bảng 3.1: Thông số kiểu điều chế nhị phân 59 vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt APD AWGN AF BER BEP BPSK CDF CDMA DSL DWDM FSO HFC IM/DD LAN Laser LED viii LD LOS MAN MSE PD PDF PSK QPSK RF SAN SLC WDM 53 1 H2,     3.3.3 Khảo sát hiệu hệ thống có lệch hƣớng  SNR hệ thống có lệch hƣớng Hàm PDF SNR đƣợc viết thành: f    2 Với   thông số fading nhiễu loạn khí quyển, thơng số thấp nhiễu loạn khí mạnh  tỷ lệ bán kính chùm tia tƣơng đƣơng với độ lệch chuẩn (jitter) máy thu  Xác suất dƣới ngƣỡng (dừng) hệ thống có lệch hƣớng Xác suất dƣới ngƣỡng có lệch hƣớng đƣợc viết thành: P out Với: 2 K  A 8   Trong trƣờng hợp khơng có lệch hƣớng,   , ta có Pout đƣợc tính nhƣ cơng thức (3.20) 54  Tỷ lệ lỗi bit (BER) hệ thống có lệch hƣớng Từ công thức 3.32, ta viết đƣợc hàm CDF tỷ lệ lỗi bit (BER) thành:  F    Với: K  K  A B PDF BER gần đƣợc viết dƣới dạng hàm Meijers G thành: A  f Với K       1 , , 2 e 2  , ,0 Trong trƣờng hợp khơng có lệch hƣớng, BER trung bình hệ thống là: Pe viết theo cách khác [9, Eq 12]: Pe  Thay công thức 3.33 vào công thức 3.35, dùng [1, Eq (7.813.1)], ta có BER trung bình phƣơng pháp điều chế nhị phân đƣợc viết thành: 55 Pe   Với p q thông số kiểu điều chế nhị phân, đƣợc thể bảng 3.1 Bảng 3.1: Thông số kiểu điều chế nhị phân Loại điều chế Khóa dịch tần nhị phân kết hợp (CBFSK) Khóa dịch pha nhị phân kết hợp (CBPSK) Khóa dịch tần nhị phân khơng kết hợp (NBFSK) Khóa dịch pha nhị phân vi sai (DBPSK) 3.4 Các kết khảo sát Phần trình bày kết khảo sát xác suất dƣới ngƣỡng, tỷ lệ lỗi bít (BER) lệch hƣớng hệ thống lai ghép RF/FSO Các kết đƣợc tham khảo từ tài liệu số [10]  q 1 56 3.4.1 Xác suất dƣới ngƣỡng SNR chặng (dB) Hình 3.2: Xác suất dƣới ngƣỡng hệ thống điều kiện nhiễu loạn mạnh vừa với  th = dB, [10] Hình 3.2 khảo sát xác suất dƣới ngƣỡng hệ thống phân bố GammaGamma với  = 4,2  = 1,4 cho nhiễu loạn mạnh,  =  = 1,9 cho nhiễu loạn vừa phải cho thấy đƣợc giá trị SNR khác nhau, [10] 57 SNR chặng (dB) Hình 3.3: Xác suất dƣới ngƣỡng hệ thống điều kiện nhiễu loạn mạnh vừa với  th = 10 dB, [10] Hình 3.3, có khác nhẹ hai môi trƣờng nhiễu loạn mạnh vừa phải Đặc biệt th = 10 dB, xác suất dƣới ngƣỡng điều kiện nhiễu loạn mạnh tệ chút so với nhiễu loạn vừa phải, [10] 58 3.4.2 Tỷ số lỗi bit (BER) SNR chặng (dB) Hình 3.4: BER hệ thống môi trƣờng nhiễu loạn với điều chế BPSK (   ) C = 1, [10] Hình 3.4 khảo sát tỷ lệ lỗi bit trung bình hệ thống với điều chế BPSK độ khuếch đại chuyển tiếp cố định C = Ta thấy BER trung bình nhiễu loạn mạnh với điều chế BPSK cao chút so với nhiễu loạn vừa phải Đặc biệt SNR rơi vào khoảng 20-25 dB, chênh lệch rõ ràng nhất, [10] 59 Hình 3.5: BER trung bình hệ thống môi trƣờng nhiễu loạn với điều chế QPSK C = 1, [10] Hình 3.5 khảo sát tỷ lệ lỗi bit trung bình hệ thống với điều chế QPSK độ khuếch đại chuyển tiếp cố định C = Ta thấy BER trung bình nhiễu loạn mạnh với điều chế QPSK cao chút so với nhiễu loạn vừa phải Đặc biệt SNR rơi vào khoảng 20-25 dB, chênh lệch rõ ràng nhất, [10] 60 Hình 3.6: So sánh BER hai điều chế BPSK QPSK nhiễu loạn vừa phải ( =  = 1,9; C = 1) , [10] Hình 3.6 khảo sát BER trung bình hệ thống môi trƣờng nhiễu loạn vừa phải với điều chế BPSK QPSK Ta thấy rằng, điều kiện nhiễu loạn vừa phải, BER trung bình với điều chế BPSK tốt nhiều so với điều chế QPSK, đặc biệt SNR trung bình tăng cao chêch lệch rõ rệt, [10] 61 Hình 3.7: So sánh BER hai điều chế BPSK QPSK nhiễu loạn mạnh ( = 4,2  = 1,4) với C = 1, [10] Hình 3.7 khảo sát BER trung bình hệ thống môi trƣờng nhiễu loạn mạnh với điều chế BPSK QPSK Ta thấy rằng, điều kiện nhiễu loạn mạnh, BER trung bình với điều chế BPSK tốt nhiều so với điều chế QPSK, đặc biệt SNR trung bình tăng cao chêch lệch rõ rệt Bốn hình ( 3.4  3.7 ) cho thấy BER trung bình hệ thống điều kiện nhiễu loạn với điều chế BPSK QPSK Rõ ràng, hệ thống lai ghép RF/FSO (phân bố fading Gamma-Gamma cho liên kết FSO) nhiễu loạn vừa phải có hiệu suất tốt nhiễu loạn mạnh Ngoài ra, sử dụng điều chế BPSK cho hiệu suất hệ thống cao điều chế QPSK trƣờng hợp nào, [10] 3.4.3 Khảo sát hệ thống ảnh hƣởng lệch hƣớng  Xác suất dƣới ngƣỡng 62 Hình 3.8: Xác suất dƣới ngƣỡng hệ thống nhiễu loạn mạnh ( = 4,2  = 1,4) với  khác  th  10dB , [10] Hình 3.8 khảo sát xác suất dƣới ngƣỡng hệ thống nhiễu loạn mạnh có lệch hƣớng Ta thấy  tăng lên tác động lệch hƣớng giảm xuống, Pout giảm ngƣợc lại Khi  tiến tới 1, tác động lệch hƣớng lên hệ thống lớn, đặc biệt SNR lớn 15 dB, [10]  Ở Tỷ lệ lỗi bit (BER) đây, ta lựa chọn điều chế BPSK  p  0, 5; q 1 để khảo sát BER trung bình hệ thống nhiễu loạn mạnh 63 Hình 3.9: BER trung bình có lệch hƣớng mơi trƣờng nhiễu loạn mạnh ( = 4,2  = 1,4) với  khác C = 1, [10] Hình 3.9 khảo sát BER trung bình hệ thống điều chế BPSK Tác động lệch hƣớng đƣợc quan sát thấy lệch hƣớng (giá trị  tăng, tác động lệch hƣớng giảm) tăng, BER giảm ngƣợc lại, [10] 3.5 Kết luận chƣơng Chƣơng tìm hiểu phân tích hiệu hệ thống lai ghép RF/FSO qua môi trƣờng nhiễu loạn khơng khí lệch hƣớng Các kết tính tốn tỷ lệ lỗi bit (BER) xác suất dƣỡi ngƣỡng (dừng) khơng có lệch hƣớng có lệch hƣớng khả quan, cho thấy tiềm lớn hệ thống 64 KẾT LUẬN Luận văn trình bày cách tổng quan hệ thống truyền thông quang không dây lai ghép RF/FSO, ƣu điểm thách thức hệ thống Trình bày ngun nhân làm suy giảm hiệu hệ thống, nhƣ mơ hình kênh để đánh giá hiệu hệ thống điều kiện nhiễu loạn khác Khái niệm mơ hình giải tích tham số đƣờng truyền FSO nhƣ RF đƣợc trình bày Trong đó, mơ hình kênh FSO bao gồm suy hao đƣờng truyền, nhiễu loạn khơng khí yếu, mạnh lệch hƣớng Mơ hình kênh RF bao gồm suy hao kênh truyền fading Dựa mơ hình kênh đƣợc nêu ra, mơ hình tốn học tính tốn hiệu hệ thống lai ghép RF/FSO dƣới ảnh hƣởng nhiễu loạn lệch hƣớng đƣợc phân tích trình bày, phần trọng tâm luận văn Luận văn tìm hiểu, tham khảo phân tích kết tính tốn tỷ lệ lỗi bit, xác xuất dƣới ngƣỡng ảnh hƣởng lệch hƣớng lên hiệu hệ thống Các kết cho thấy đƣợc số liệu khả quan việc cải thiện hiệu hệ thống điều kiện nhiễu loạn khác nhau, nhƣ phƣơng pháp điều chế thích hợp cho hệ thống Kết cho thấy tiềm lớn hệ thống lai ghép việc sử dụng liên kết FSO để bổ sung cho hệ thống RF tƣơng lai 65 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO A S Gradshteyn, I M Ryzhik, and A Jeffrey, Table of Integrals, Series, and Product, 7th ed Academic Press, Inc., 2007 Bayaki, E., Schober, R Malik, R [2009] Performance of analysis of MIMO free-space optical systems in gamma-gamma fading, IEEE Trans Commun 57(11): 3415-3424 J Park, E Lee, and G Yoon, “Average bit error rate Alamouti scheme in Gamma-gamma fading channels”, IEEE Photon Technol Lett., vol 23, no 4, pp 269-271, Feb 2011 K P Peppasand C K Datsikas, “Average symbol error probability of genaral-order rectangular quadrature amplitude modulation of optical wireless communication systems over atmospheric turbulence channels,” J OPT Commun Netw., vol 2, no 2, pp 102-110, Feb 2010 Maher Al Nabulsi, “Contribution to the study of atmospheric optical links, propagation availability and reliability”, PhD thesis, the University of Bur-gundy 2005 M K Simonand, M S Alouini, Digital Communication Over Fading Channels Hoboken, NJ: Wiley, 2000 M O Hasna and M S Alouini, “A performance study of dual-hop transmissions with fixed gain relays”, IEEE Trans Wireless Commun., vol 3, no 6, pp 1963-1968, Nov 2004 T Thang V Nguyen, Tu V M Pham, Thu A Pham, Hien T T Pham, Ngoc Dang, and Anh T Pham, “Performance analysis of network-coded two-way dual-hop mixed FSO/RF systems” IEEE International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), pp 70-74, 2016 I S Ansari, F Yilmaz, and M S Alouini, Fellow, “Impact of Pointing Errors on the Performance of Mixed RF/FSO Dual-Hop Transmission Systems,” IEEE Wireless Communications Letters, vol 2, no 3, June 2013 10 H Ebnel “Study of Performance of Mixed RF/FSO Dual-Hop Transmission Systems”, April 2015 ... 3: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY LAI GHÉP RF/ FSO 3.1Giới thiệu hệ thống lai ghép RF/ FSO 3.2Mô hình hệ thống 3.2.1Mơ hìn 3.2.2Mơ hìn 3.3Mơ hình tốn học đánh. .. HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY FSO .3 1.1 Giới thiệu hệ thống FSO 1.1.1 Các lợi thách thức hệ thống FSO 1.1.2 Ứng dụng công nghệ FSO 10 1.2 Mơ hình hệ thống. .. Nhiễu loạn khơng khí, giới thiệu mơ hình kênh nhiễu loạn khơng khí 2 − Chƣơng 3: Đánh giá hiệu hệ thống truyền thông không dây lai ghép RF/ FSO, đƣa nhận xét, đánh giá hệ thống, trọng tâm luận văn