Nghiên cứu đặc tính của hệ thống mmwrof truy cập quang vô tuyến băng tần siêu cao cho thông tin di động thế hệ mới

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGƠ BÁ TỒN TRƯỜNG TRẦN HỮU ĐẠI LỘCHỌC BÁCH KHOA NGƠ BÁ TỒN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ C C NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG MMW/RoF TRUY CẬP QUANG – VƠ TUYẾN BĂNG TẦN SIÊU CAO CHO THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI R L T DU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NĂM 2019 Đà Nẵng – Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGƠ BÁ TỒN C C NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG MMW/RoF TRUY CẬP QUANG – VÔ TUYẾN BĂNG TẦN SIÊU CAO CHO THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI R L T DU Chuyển nghành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 8520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Người hướng dẫn khoa hoc: PGS.TS NGUYẾN VĂN TUẤN PGS.TS NGUYẾN LÊ HÙNG Đà Nẵng – Năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn “Nghiên cứu đặc tính hệ thống MMW/RoF truy cập quang - vô tuyến băng tần siêu cao cho thông tin di động hệ mới” chép luận văn cơng trình có từ trước Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Đà Nẵng, ngày 26 tháng năm 2019 Học viên thực C C DU R L T Ngơ Bá Tồn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .1 MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG 11 DANH MỤC HÌNH 12 MỞ ĐẦU 14 Tính cấp thiết đề tài 14 Mục tiêu nghiên cứu 15 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 15 C C 3.1 Đối tượng nghiên cứu .15 R L T 3.2 Phạm vi nghiên cứu 16 DU Phương pháp nghiên cứu .16 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 16 Kết cấu luận văn 17 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MMW/RoF TRUY CẬP QUANG – VÔ TUYẾN 18 1.1 Giới thiệu chương 18 1.2 Khái niệm kỹ thuật truyền sóng vơ tuyến qua sợi quang (RoF) .18 1.3 Các thành phần RoF 20 1.3.1 Trạm trung tâm-Central Station (CS) 20 1.3.2 Trạm gốc - Base Station (BS) 20 1.3.3 Thiết bị di động - Mobile Host (MH) .20 1.3.4 Sợi quang .20 1.4 Kỹ thuật truyền dẫn RoF 21 1.4.1 Các kỹ thuật điều chế đầu phát 21 1.4.1.1 Kỹ thuật điều chế trực tiếp (Direct Modulation – DM) .21 1.4.1.2 Kỹ thuật điều chế (External Modulation) 22 1.4.2 Các kỹ thuật tách sóng đầu thu 23 1.4.2.1 Kỹ thuật tách sóng trực tiếp .23 1.4.2.2 Kỹ thuật tách sóng Coherence 24 1.5 Những ưu - khuyết điểm RoF 25 1.5.1 Ưu điểm 25 1.5.2 Khuyết điểm 27 1.6 Thông tin di động hệ (5G) 27 1.7 Kết luận chương .28 C C CHƯƠNG CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG Ở PHẦN QUANG 30 R L T 2.1 Giới thiệu chương 30 2.2 Khái niệm kỹ thuật RoF sử dụng khuếch đại quang máy thu tách sóng trực DU tiếp 30 2.2.1 Giới thiệu .30 2.3 Máy thu tách sóng trực tiếp sử dụng photodiode PIN APD 32 2.4 Khái niệm nguyên lý hoạt động khuếch đại EDFA .34 2.4.1 Khuếch đại quang EDFA .34 2.4.2 Nguyên lý hoạt động khuếch đại EDFA .35 2.5 Hệ số khuếch đại EDFA 37 2.6 Ưu điểm nhược điểm EDFA .37 2.6.1 Ưu điểm 37 2.6.2 Nhược điểm .37 2.7 Các loại nhiễu máy thu quang tách sóng trực tiếp hệ thống sử dụng khuếch đại EDFA 38 2.7.1 Nhiễu bắn 38 2.7.2 Nhiễu nhiệt 38 2.7.3 Nhiễu phách ASE tín hiệu quang .39 2.8 Những ưu điểm nhược điểm hệ thống quang sử dụng máy thu tách sóng trực tiếp 40 2.8.1 Ưu điểm 40 2.8.2 Nhược điểm .40 2.9 Kết luận chương .41 CHƯƠNG CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG Ở PHẦN VÔ TUYẾN .42 3.1 Giới thiệu chương 42 3.2 Giới thiệu kênh truyền sóng mơi trường khơng gian tự 42 3.3 Các tượng xảy lan truyền sóng 42 C C 3.3.1 Phản xạ 42 R L T 3.3.2 Khúc xạ 42 DU 3.3.3 Nhiễu xạ 43 3.3.4 Fading 43 3.4 Các tượng ảnh hưởng đến chất lượng lan truyền sóng khơng gian tự .44 3.4.1 Hiện tượng truyền sóng đa đường 44 3.4.2 Suy hao đường truyền 45 3.4.3 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) 45 3.5 Kênh truyền theo phân bố Rayleigh .46 3.6 Các khối Mobile Host 47 3.6.1 Bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA) 47 3.6.2 Bộ trộn tần (MIX) 48 3.6.3 Bộ khuếch đại trung tần (MPA) 48 3.7 Biểu thức tính SNDR BER dùng đường truyền quang - vô tuyến 48 3.8 Kết luận chương .53 CHƯƠNG KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 54 4.1 Giới thiệu chương 54 4.2 Mơ hình hệ thống MMW/RoF truy cập quang - vô tuyến sử dụng khuếch đại quang EDFA máy thu tách sóng trực tiếp 54 4.3 Kết khảo sát đặc tính hệ thống, phân tích nhận xét 56 4.3.1 Khảo sát tỉ lệ lỗi bit BER theo công suất phát đầu MZM (Pphát) 56 4.3.2 Khảo sát tỉ lệ lỗi bit BER theo tần số vô tuyến có băng tần siêu cao (MMW) .59 C C 4.3.3 Khảo sát tỉ lệ lỗi bit BER theo khoảng cách vô tuyến từ trạm BTS đến R L T điện thoại di động 60 4.4 Kết luận chương .63 DU KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 65 Kết luận 65 Hướng phát triển đề tài 65 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỂ TÀI 69 PHỤ LỤC 70 NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG MMW/RoF TRUY CẬP QUANG – VÔ TUYẾN BĂNG TẦN SIÊU CAO CHO THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI Học viên: Ngơ Bá Tồn Chun ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 8520203 Khóa: K36 Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng Tóm tắt – Ngày nay, nhu cầu truyền thông ngày lớn với nhiều dịch vụ băng rộng/tốc độ cao đa phương tiện đời sống quốc gia kết nối toàn cầu Để thúc đẩy phát triển kỷ nguyên thông tin, mạng truyền thơng cần phải có khả linh hoạt cao, tốc độ truyền dẫn lớn, băng thông rộng, đa dịch vụ Vì lý đó, kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu vơ tuyến qua sợi quang (gọi tắt RoF) C C đời kết hợp truyền dẫn quang với sóng vơ tuyến băng tần siêu cao, sử dụng tần số R L T sóng Milimet nhằm tạo mạng lưới thông tin linh hoạt, băng thông rộng đáp ứng yêu cầu truyền dẫn thông tin đa dịch vụ tốc độ cao, làm tảng cho mạng truy DU nhập băng rộng tương lai cơng nghệ IoT Đề tài “Nghiên cứu đặc tính hệ thống MMW/RoF truy cập quang - vô tuyến băng tần siêu cao cho thông tin di động hệ mới” nhằm nghiên cứu, khảo sát đánh giá hiệu hệ thống đáp ứng với nhu cầu truy cập thông tin di động hệ với tốc độ bít cao, băng tần rộng Luận văn trình bày nội dung theo trình tự sau: Đầu tiên trình bày tổng quan kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu vơ tuyến qua sợi quang với tần số sóng Milimet (MMW/RoF; thứ mô tả hệ thống MMW/RoF sử dụng máy thu tách sóng trực tiếp khuếch đại quang EDFA để tăng khoảng cách truyền dẫn đến 150 km; thứ mơ hình nghiên cứu hệ thống MMW/RoF truy cập quang - vô tuyến băng tần siêu cao cho thơng tin di động hệ mới, tính tốn thơng số nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống, tính tốn SNR, BER cuối khảo sát đặc tính hệ thống đánh giá kết đạt Từ khóa – Radio - over - Fiber (RoF), Millimeter - wave (MMW), EDFA, Broadband optical/wireless access networks STUDYING THE PERFORMANCE OF ULTRA-HIGH-BANDWIDTH OPTICAL-WIRELESS ACCESS MMW/RoF SYSTEM FOR NEW GENERATION MOBILE COMMUNICATIONS Abstract – Today, the demand for communication is growing with many new broadband/high-speed and multimedia services in our country's life as well as global connectivity To promote the development of the information age, communication networks need to be highly flexible, high transmission rates, broadband, and multiservice For that reason, Radio signal transmission technology over Fiber optics (referred to RoF) was established to combine optical transmission with ultra-highfrequency radio waves, using the Milimeter wave frequency to create flexible and C C broadband communication network that meets the requirements of high-speed R L T multi-service communication and will become the platform for future broadband access networks as well as IoT technology DU The topic "Study the performance of ultra-high-bandwidth optical-wireless access MMW/RoF system for new generation mobile communication" to study, investigate and evaluate the effectiveness of the system to meet the needs of new generation mobile communication with high bit rate, wide band Firstly, an overview of the Radio signal transmission technology over Fiber optics with the millimeter frequency (MMW/RoF) is presented Then, the MMW/RoF system using a direct detection receiver and EDFA to increase the transmission distance to 150km is showed Next, the calculating model of the MMW/RoF ultra-high-bandwidth optical-wireless access system for new generation mobile communication is presented to calculate the noise parameters affecting the system, calculate SNR, BER Finally, the characteristics of the system is investigated and their achieved results are evaluated Key words – Radio-over-Fiber (RoF), Millimeter-wave (MMW), EDFA, Broadband optical/wirelessaccess networks DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Kí hiệu Ý nghĩa Từ Tiếng Anh A AFC ASE ASK Tự động điều khiển tần số Automatic Frequency Control Amplified Spontaneous Nhiễu phát xạ tự phát Emission Kỹ thuật điều chế khóa dịch biên độ Amplitude Shift Keying B Khuếch đại công suất BA Booster Amplifier BB Baseband BER Bit Error Rate BS Base Station BPF Band Pass Filter Bộ lọc băng thông BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc C C Băng sở R L T DU Tỷ lệ lỗi bit Trạm gốc C CS Central Station Trạm trung tâm D DEMUX DPSK DSF Demultiplexer Bộ tách tín hiệu Differential Phase Shift Điều chế pha vi phân Keying Dispersion Shift Fiber Sợi dịch chuyển tán sắc E EDF Erbium Doped Fiber Sợi pha tạp Erbium Bộ khuếch đại sợi quang pha tạp EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Erbium 79 % LINE OF SIGHT BER_LOS_D2 = 0.5*erfc(sqrt(SNR/2)) % LOS % NON LINE OF SIGHT a=1./SNR+1./SDR; SNDR =1./a; BER_NLOS_D2=0.5*erfc(sqrt(SNDR/2)) % NLOS %% %% D3=10e-6; % don vi s/m2 SNR = SNR_calc(P_EDFA_DD,P_phat_W,D3, L_km, lamda, f_c, c, delta_v_m, alpha_dB, P_phat_dBm , G_EDFA_dB, q, R, I_d, B_n, K, T, F_n, R_L, RIN,NF_LNA_dB, NF_MPA_dB, m, G_L_dB,d, f_mmw, gama_ox, gama_wv, gama_rain, xichma_d, G_P, G_Tx, G_Rx, G_L, G_M, NF_Rx,L_I) % LINE OF SIGHT BER_LOS_D3 = 0.5*erfc(sqrt(SNR/2)) % LOS % NON LINE OF SIGHT a=1./SNR+1./SDR; SNDR =1./a; BER_NLOS_D3=0.5*erfc(sqrt(SNDR/2)) % NLOS C C R L T %% D4=6e-6; % don vi s/m2 SNR = SNR_calc(P_EDFA_DD,P_phat_W,D4, L_km, lamda, f_c, c, delta_v_m, alpha_dB, P_phat_dBm , G_EDFA_dB, q, R, I_d, B_n, K, T, F_n, R_L, RIN,NF_LNA_dB, NF_MPA_dB, m, G_L_dB,d, f_mmw, gama_ox, gama_wv, gama_rain, xichma_d, G_P, G_Tx, G_Rx, G_L, G_M, NF_Rx,L_I) % LINE OF SIGHT BER_LOS_D4 = 0.5*erfc(sqrt(SNR/2)) % LOS % NON LINE OF SIGHT a=1./SNR+1./SDR; SNDR =1./a; BER_NLOS_D4=0.5*erfc(sqrt(SNDR/2)) % NLOS DU %% figure(1) semilogy(d,BER_LOS_D1,' *b'); hold on; semilogy(d,BER_LOS_D2,' or'); hold on; semilogy(d,BER_LOS_D3,' ^k'); hold on; semilogy(d,BER_LOS_D4,'