Giảm đến hiệu năng của một tuyến quang vô tuyến ở khoảng cách xa. Trong bài báo này, chúng tôi thực hiện việc đánh giá từ nhiều lỗi định hướng ở từng điều kiện thời tiết khác nhau để xác định được ngưỡng của lỗi định hướng làm ảnh hưởng đến tỷ số lỗi bit của hệ thống.
Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) Đánh giá lỗi định hướng kênh truyền quang vô tuyến điều kiện thời tiết khác Phạm Duy Khiêm∗ , Lê Quốc Cường† , Võ Nguyễn Quốc Bảo∗ ∗ Phòng Thí Nghiệm Thơng Tin Vơ Tuyến Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng, Cơ Sở TP Hồ Chí Minh Email: khiemwood86@yahoo.com, baovnq@ptithcm.edu.vn † Sở Thông Tin Truyền Thông TP Hồ Chí Minh Email: lequoccuong@tphcm.gov.vn Tóm tắt—Lỗi định hướng (Pointing Error) thách thức mà kênh truyền quang vô tuyến phải đối diện Lỗi định hướng tham số biễu diễn góc độ tầm nhìn thẳng hai đầu phát đầu thu laser kênh truyền quang vô tuyến Tham số phụ thuộc vào điều kiện thời tiết gây suy giảm đến hiệu tuyến quang vô tuyến khoảng cách xa Trong báo này, thực việc đánh giá từ nhiều lỗi định hướng điều kiện thời tiết khác để xác định ngưỡng lỗi định hướng làm ảnh hưởng đến tỷ số lỗi bit hệ thống Từ khóa—quang vơ tuyến, lỗi định hướng (Pointing Error), hiệu năng, điều kiện thời tiết I GIỚI THIỆU Ngày nay, công nghệ quang vô tuyến (Free-Space Optical communication - FSO) chủ đề nóng có tầm quan trọng hệ thống thông tin FSO giải pháp thay mang tính khả thi mặt thương mại cho hệ thống thông tin vô tuyến độ tin cậy khả triển khai nhanh chóng cho mạng liệu thoại [1] Những kết nối FSO phạm vi ngắn sử dụng giải pháp thay cho kết nối vô tuyến, để cung cấp mạng truy cập băng thông cho doanh nghiệp giống cầu nối băng thông rộng mạng nội bộ, mạng khu vực đô thị mạng diện rộng [2] Hệ thống FSO mặt đất chứng tỏ công nghệ bổ sung khả thi việc giải thách thức thông tin liên lạc đại, đặc biệt nhu cầu tốc độ liệu băng thơng cao người dùng với chi phí chấp nhận FSO tích hợp vào mạng truy cập làm cho việc truyền xa nhanh [3] Tuy nhiên, ảnh hưởng kênh truyền khí sương mù dày đặc, khói nhiễu loạn khơng khí đặt thách thức lớn cho hệ thống FSO mặt đất tầm xa Ngoài yếu tố thời tiết, tuyến quang vô tuyến với khoảng cách km chịu ảnh hưởng lỗi định hướng Lỗi định ISBN: 978-604-67-0349-5 304 hướng tạo từ rung lắc tịa nhà, gió mạnh lỗi định hướng làm ảnh hưởng đến hiệu tuyến quang vơ tuyến Cho đến nay, có số báo xem xét đến toán lỗi định hướng ảnh hưởng hiệu tuyến quang vô tuyến, ví dụ [4], [5], [6], [7] Bài báo [4] xem xét toán lỗi định hướng ảnh hưởng hiệu tuyến quang vô tuyến sử dụng phương pháp phân tích hàm Bessel mơ hình mật độ xác suất lỗi định hướng Bài báo [5] xem xét tốn tối ưu dung lượng dừng tuyến quang vơ tuyến có lỗi định hướng Bài báo [7] xem xét toán lỗi định hướng ảnh hưởng đến tuyến quang vơ tuyến có nhiễu động khơng khí Tuy nhiên ba báo bỏ qua điều kiện thời tiết hấp thụ tán xạ, làm kết toán lỗi định hướng ảnh hưởng đến hiệu tuyến quang vơ tuyến có phần khơng thực tế Trong báo này, xác định ngưỡng lỗi định hướng máy phát máy thu làm ảnh hưởng đến tỷ số lỗi bit điều kiện thời tiết khác sử dụng phương pháp quét tham số lỗi định hướng chương trình Optisystem Mặc dù sử phương pháp với báo báo [8], điểm báo xem xét TP Hồ Chí Minh với điều kiện cụ thể Phần lại báo tổ chức sau Phần II, chúng tơi trình bày mơ hình hệ thống xem xét Phần III đề cập đến lỗi định hướng hệ thống FSO ảnh hưởng suy hao khí đến hiệu hệ thống Trong phần IV, thực mô phần mềm Optisystem để kiểm chứng Cuối cùng, báo kết thúc kết luận Phần V II MÔ HÌNH HỆ THỐNG Xem xét hệ thống quang vơ tuyến gồm có cặp máy phát máy thu, kênh truyền quang vơ tuyến trình bày Hình Máy phát có nhiệm vụ điều chế nguồn liệu vào với sóng mang quang Sau tín hiệu truyền qua khí đến máy thu Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) %ӝÿLӅXFKӃYjODVHU %ӝJLҧLÿLӅXFKӃ 0i\SKiW &KPTXDQJ KҭXÿӝSKiW 0i\WKX tQKQJҳP &KPWLDTXDQJ Hình Sơ đồ khối kênh truyền FSO Loại điều chế sử dụng hầu hết điều chế cường độ Trong nguồn liệu điều chế cường độ xạ quang Điều đạt cách thay đổi dòng điều khiển nguồn quang trực tiếp với liệu phát thông qua điều chế giao thoa kế đối xứng Mach-Zehnder Việc sử dụng điều chế bảo đảm tốc độ liệu cao so với điều chế trực tiếp điều chế ngồi có đáp ứng phi tuyến Những đặc tính khác xạ quang pha, tần số trạng thái phân cực điều chế với liệu thông tin thông qua điều chế ngồi Khối truyền tín hiệu xa có nhiệm vụ tập hợp, chuẩn trực ngắm thẳng hướng xạ quang tiến đến khối thu tín hiệu đầu cuối kênh truyền Đa số hệ thống FSO thiết kế để hoạt động với dải bước sóng 780-850 nm 1520-1600 nm Dải bước sóng 780-850nm sử dụng rộng rãi với dải bước sóng thiết bị linh kiện ln có sẵn để đáp ứng giá thành thấp Dải bước sóng 1550nm thường sử dụng hệ thống FSO i) tương thích với mạng phân ghép khe theo bước sóng hệ thứ ii) an toàn cho mắt iii) giảm bớt ảnh hưởng xạ lượng mặt trời tán xạ ánh sáng điều kiện sương dày đặc Do với bước sóng 1550nm tạo lượng đáng kể truyền vượt qua sương dày đặc Tuy nhiên, có mặt hạn chế với dải bước sóng 1550nm giảm nhẹ độ nhạy tách sóng, giá thành linh kiện cao địi hỏi việc kết nối khắc khe Máy thu hỗ trợ việc khôi phục liệu phát từ phía máy phát bao gồm: thu tín hiệu quang, lọc dải thơng quang, tách sóng quang, xử lý tách sóng III LỖI ĐỊNH HƯỚNG CỦA HỆ THỐNG VÀ SỰ SUY HAO KHÍ QUYỂN KҭXÿӝWKX Hình Góc thu phát lỗi định hướng công thức Friis sau [6]: PR = PT ηT ηR ISBN: 978-604-67-0349-5 305 GT GR LT LR (1) với PR cơng suất tín hiệu máy thu, PT cơng suất phát tín hiệu máy phát, ηT ηR hiệu suất quang máy phát máy thu, λ bước sóng phát tín hiệu, d khoảng cách từ máy phát đến máy thu Độ lợi GT GR máy phát máy thu có cơng thức sau: GT = πDT λ , GR = πDR λ (2) với DT độ máy phát DR độ máy thu Hệ số suy hao, LT LR lỗi định hướng máy phát máy thu có cơng thức sau: LT = exp −GT θT , LR = exp −GT θR , (3) với θT lỗi định hướng máy phát θR lỗi định hướng máy thu Sự suy hao khí bao gồm hai tượng hấp thụ tán xạ [9] Nồng độ chất khí gây suy hao tín hiệu theo thời gian không gian khác nhau, phụ thuộc vào vị trí điều kiện thời tiết Đối với kết nối FSO mặt đất việc truyền tải tín hiệu quang từ máy phát đến máy thu thơng qua bầu khí khoảng cách d tuân theo định luật Beer-Lampert sau: τ (λ, d) = Tín hiệu quang truyền qua khơng gian tự chịu tác động lỗi định hướng trình bày Hình Ta có cơng suất thu tách sóng quang cho λ 4πd PR = exp [−y (λ) d] PT (4) với y (λ) τ (λ, d) hai hệ số đại diện cho tổng suy hao việc truyền tải tín hiệu quang thơng qua bầu khí Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) bước sóng λ tương ứng Sự suy hao tín hiệu quang bầu khí bị gây thành phần phân tử khí điều kiện thời tiết Hệ số suy hao tổng hệ số hấp thụ tán xạ từ thành phần phân tử điều kiện thời tiết khí có cơng thức sau: y (λ) = αm (λ) + αa (λ) + βm (λ) + βa (λ) (5) với αm (λ) αa (λ) hai tham số biểu diễn cho hấp thụ phân tử hạt khí βm (λ) βa (λ) hai tham số biểu diễn cho tán xạ phân tử hạt khí Sự hấp thụ tượng diễn có tương tác lan truyền photon phân tử khí dọc theo đường truyền [9] Một vài photon bị lượng chuyển đổi thành nhiệt Tham số hấp thụ phụ thuộc nhiều vào phân tử khí nồng độ chúng Sự hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng Điều dẫn đến khí tồn vùng suốt, dải bước sóng có hấp thụ nhỏ nhất, gọi cửa sổ truyền tải Tuy nhiên, bước sóng sử dụng FSO trùng với cửa sổ truyền tải khí kết tham số suy hao khí định tán xạ viết lại sau: y (λ) = βa (λ) 3.91 λ V 550 ISBN: 978-604-67-0349-5 (8) V tầm nhìn đơn vị km [10, p 203] IV KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ Phần chúng tơi tập trung mô ảnh hưởng lỗi định hướng lên tỷ số lỗi bit cơng suất tín hiệu tuyến quang sử dụng phần mềm Optisystem1 Mơ hình mơ kết nối FSO hai điểm thành phố Hồ Chí Minh, xem Hình 3, trình bày Hình Tốc độ truyền liệu Gbps, giá trị lớn công suất phát cài đặt 23.11 dBm với khoảng cách hai điểm km ba điều kiện thời tiết khác nhau: bình thường, sương mù nhẹ sương mù dày đặc Bảng II cung cấp thông số kỹ thuật kết nối FSO (6) Sự tán xạ tượng biến đổi hướng truyền trường quang khí mà khơng liên quan đến việc thay đổi khơng thay đổi bước sóng [9] Sự tán xạ phụ thuộc vào bán kính r hạt (sương, phân tử khí) xảy suốt trình truyền tín hiệu Tán xạ mơ tả cách xem xét tham số x0 = 2πr/λ [9] Nếu x0 50 ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ 1.3, < V < 50 ⎨ 0.16V + 0.34, < V < δ= ⎪ ⎪ V − 0.5, 0.5 < V < ⎪ ⎪ ⎩ 0, V < 0.5 −δ (7) 306 Hình Bản đồ địa điểm khảo sát thành phố Hồ Chí Minh Từ cơng thức (4), (6), (7), (8) trình bày Phần III, chúng tơi tính tốn giá trị suy hao cơng suất điều kiện thời tiết bình thường, sương mù nhẹ sương mù dày đặc thành phố Hồ Chí Minh Những giá trị thể Bảng III Giá trị suy hao từ 0.1920 dB/km điều kiện thời tiết bình thường tăng lên đến 1.5379 dB/km điều kiện thời tiết có sương http://optiwave.com/category/products/system-and-amplifierdesign/optisystem/ Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) Bảng I LOẠI TÁN XẠ VÀ BÁN KÍNH CÁC HẠT TRONG KHÍ QUYỂN Loại Phân tử khí Hạt sương mù Giọt sương mù Mưa Tuyết Mưa đá r (μm) 0.0001 0.01-1 1-20 100-10000 1000-5000 5000-50000 x0 0.00074 0.074-7.4 7.4-147.8 740-74000 7400-37000 37000-370000 Tán xạ Rayleigh Rayleigh-Mie Mie-Geometrical Geometrical Geometrical Geometrical Bảng III GIÁ TRỊ SUY HAO CÔNG SUẤT THEO ĐIỀU KIỆN THỜI TIẾT Điều kiện thời tiết Bình thường Sương mù nhẹ Sương mù dày đặc Suy hao công suất (dB/km) 0.1920 1.5379 15.5554 Tầm nhìn (km) 23 0.8 mức tỷ lệ lỗi bit yêu cầu, ta thấy điều kiện thời tiết tốt tăng khả chịu đựng hệ thống trước lỗi định hướng, xem Hình Ví dụ, chênh lệnh lỗi định hướng phát điều kiện thời tiết bình thường điều kiện thời tiết có sương mù dày đặc 2.42 μrad tương ứng với 14.58% Sau sử dụng chương trình mơ Optisystem để xác định giá trị lỗi định hướng lớn điều kiện thời tiết bình thường, sương mù nhẹ sương mù dày đặc Hình Mơ hình kết nối FSO Optisystem Bảng II THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA KẾT NỐI FSO Tham số kênh truyền Tốc độ truyền dẫn Khoảng cách truyền (d) Công suất phát quang (PT ) Bước sóng sử dụng (λ) Hiệu suất quang phát (ηT ) Hiệu suất quang thu (ηR ) Đường kính phát (DT ) Đường kính thu (DR ) Giá trị Gbps Km 320 mW 1550 nm 0.8 0.75 10 cm 10 cm mù nhẹ 15.5554 dB/km điều kiện thời tiết có sương mù dày đặc Tầm nhìn giảm dần điều kiện thời tiết ngày khó khăn Kết Bảng IV biểu diễn phạm vi giá trị lỗi định hướng lớn cho phép để đảm bảo tỷ số lỗi bit không vượt 10−9 với đơn vị tính μrad ba điều kiện thời tiết khảo sát Với ISBN: 978-604-67-0349-5 307 Hình Cơng suất tín hiệu máy phát Hình trình bày cơng suất tín hiệu máy phát với bước sóng chọn 1.55 μm Bước sóng phù hợp với chuẩn hệ thống FSO Ở điều kiện thời tiết bình thường, giá trị cơng suất tín hiệu máy Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) Bảng IV GIÁ TRỊ LỖI ĐỊNH HƯỚNG LỚN NHẤT THEO TỪNG ĐIỀU KIỆN THỜI TIẾT Điều kiện thời tiết Suy hao cơng suất (dB/km) Bình thường Sương mù nhẹ Sương mù dày đặc 0.1920 1.5379 15.5554 Giá trị lớn lỗi định hướng phát (μrad) 19.01 18.81 16.59 Giá trị lớn lỗi định hướng thu (μrad) 19.01 18.81 16.59 Hình Giá trị lỗi định hướng lớn điều kiện thời tiết thu điều kiện thời tiết bình thường thể qua Hình 7, với giá trị suy hao cơng suất khơng khí 0.1920 dB/Km, giá trị lớn lỗi định hướng phát tính Bảng IV 19.01 μrad, BER= 1.09 10−9 giá trị cơng suất tín hiệu máy thu -31.69 dBm Giá trị BER hệ thống FSO xác định theo giá trị lỗi định hướng phát điều kiện thời tiết bình thường thể qua điểm A Hình Ở điều kiện thời tiết có sương mù nhẹ, giá trị cơng suất tín hiệu máy thu điều kiện thời tiết sương mù nhẹ thể qua Hình với giá trị suy hao cơng suất khơng khí 1,5379 dB/km, giá trị lớn lỗi định hướng phát tính Bảng IV 18,81 μrad với BER = 1, 06.10−9 giá trị công suất tín hiệu máy thu -31,68 dBm Giá trị BER hệ thống FSO xác định theo giá trị lỗi định hướng phát điều kiện thời tiết có sương mù nhẹ thể qua điểm A Hình 10 Ở điều kiện thời tiết có sương mù dày đặc, giá trị cơng suất tín hiệu máy thu điều kiện thời ISBN: 978-604-67-0349-5 308 tiết sương mù dày đặc thể qua Hình 11, với giá trị suy hao cơng suất khơng khí 15,5554 dB/km, giá trị lớn lỗi định hướng phát tính Bảng IV 16,59 μrad BER = 1, 03.10−9 giá trị cơng suất tín hiệu máy thu -31,68 dBm Giá trị BER hệ thống FSO xác định theo giá trị lỗi định hướng phát điều kiện thời tiết có sương mù dày đặc thể qua điểm A Hình 12 Giá trị cơng suất tín hiệu máy thu điều kiện thời tiết sương mù dày đặc trường hợp vượt ngưỡng giá trị lỗi định hướng phát 19 μrad thể qua Hình 13 Với giá trị suy hao cơng suất khơng khí 15,5554 dB/km Giá trị cơng suất tín hiệu máy thu -47,75 dBm V KẾT LUẬN Trong báo này, thực mô hệ thống quang vô tuyến qua kênh truyền suy hao không khí điều kiện thời tiết khác với khoảng cách d = km bước sóng λ = 1550 nm Qua kết Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) Hình Cơng suất tín hiệu máy thu điều kiện thời tiết bình thường Hình Cơng suất tín hiệu máy thu điều kiện thời tiết sương mù nhẹ Hình 10 Giá trị lỗi định hướng phát lớn 18,81 μrad điều kiện thời tiết sương mù nhẹ Hình Giá trị lỗi định hướng phát lớn 19.01 μrad điều kiện thời tiết bình thường thống cịn phụ thuộc vào độ dài bước sóng khoảng cách truyền TÀI LIỆU THAM KHẢO mơ chúng tơi có hai kết luận quan trọng: i) lỗi định hướng ảnh hưởng rõ rệt lên hiệu hệ thống FSO Khi điều kiện thời tiết trở nên khó khăn hơn, ảnh hưởng trở nên mạnh ii) hiệu hệ ISBN: 978-604-67-0349-5 309 [1] N Ghazisaidi, M Maier, and C M Assi, “Fiber-wireless (fiwi) access networks: A survey,” IEEE Communications Magazine, vol 47, no 2, pp 160–167, 2009 [2] C Lethien, C Loyez, and J P Vilcot, “Potentials of radio over multimode fiber systems for the in-buildings coverage of mo- Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thơng Cơng nghệ thơng tin (ECIT2014) Hình 13 Cơng suất tín hiệu máy thu điều kiện thời tiết sương mù dày đặc, φT = φR = 19 μrad Hình 12 Giá trị lỗi định hướng phát lớn 16,59 μrad điều kiện thời tiết sương mù dày đặc [3] [4] [5] [6] [7] [8] Hình 11 Cơng suất tín hiệu máy thu điều kiện thời tiết sương mù dày đặc, φT = φR = 16.59 μrad [9] [10] ISBN: 978-604-67-0349-5 310 bile and wireless lan applications,” IEEE Photonics Technology Letters, vol 17, no 12, pp 2793–2795, 2005 D Wake, A Nkansah, and N J Gomes, “Radio over fiber link design for next generation wireless systems,” Journal of Lightwave Technology, vol 28, no 16, pp 2456–2464, 2010 V Vilnrotter, “The effects of pointing errors on the performance of optical communications systems,” TDA Progress Report 42, vol 63, pp 136–146, 1981 A A Farid and S Hranilovic, “Outage capacity optimization for free-space optical links with pointing errors,” Journal of Lightwave technology, vol 25, no 7, pp 1702–1710, 2007 X Liu, “Performance of the wireless optical communication system with variable wavelength and bessel pointing loss factor,” in Proc 2008 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC’08) IEEE, pp 797–802 D K Borah and D G Voelz, “Pointing error effects on freespace optical communication links in the presence of atmospheric turbulence,” Journal of Lightwave Technology, vol 27, no 18, pp 3965–3973, 2009 N A Mohammed, A S El-Wakeel, and M H Aly, “Pointing error in fso link under different weather conditions,” International Journal of Video Image Processing and Network Security, vol 12, no 01, pp 06–09, Feb 2012 Z Ghassemlooy and W Popoola, “Terrestrial free-space optical communications,” Mobile and Wireless Communications Network Layer and Circuit Level Design, pp 362–363, 2010 W Popoola, “Subcarrier intensity modulated free-space optical communication systems,” Thesis, 2009 ... lệ lỗi bit yêu cầu, ta thấy điều kiện thời tiết tốt tăng khả chịu đựng hệ thống trước lỗi định hướng, xem Hình Ví dụ, chênh lệnh lỗi định hướng phát điều kiện thời tiết bình thường điều kiện thời. .. thu điều kiện thời tiết bình thường Hình Cơng suất tín hiệu máy thu điều kiện thời tiết sương mù nhẹ Hình 10 Giá trị lỗi định hướng phát lớn 18,81 μrad điều kiện thời tiết sương mù nhẹ Hình Giá. .. 18.81 16.59 Giá trị lớn lỗi định hướng thu (μrad) 19.01 18.81 16.59 Hình Giá trị lỗi định hướng lớn điều kiện thời tiết thu điều kiện thời tiết bình thường thể qua Hình 7, với giá trị suy hao cơng