Ứng dụng của truyền dẫn quang trong không gian tự do cho mạng 5g

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN NGỌC THÁI ỨNG DỤNG CỦA TRUYỀN DẪN QUANG TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO CHO MẠNG 5G LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN NGỌC THÁI ỨNG DỤNG CỦA TRUYỀN DẪN QUANG TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO CHO MẠNG 5G LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS.TS HÀ DUYÊN TRUNG Hà Nội - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân suốt thời gian làm luận văn Các số liệu, kết luận văn trung thực tất kế thừa tác giả khác trích dẫn đầy đủ Tơi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với nội dung viết luận văn Học viên Nguyễn Ngọc Thái i LỜI CẢM ƠN Trước hết xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới PGS TS Hà Duyên Trung, người trực tiếp hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi, đưa định hướng phù hợp, hỗ trợ nhiều mặt giúp tơi hồn thành tốt luận văn Tơi bày tỏ lịng biết ơn đến Viện Điện tử - Viễn thông Viện Đào tạo sau đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập, nghiên cứu Đồng thời, xin gửi lời cảm ơn thầy cô, anh chị em, bạn bè đồng nghiệp hỗ trợ học tập, công tác chuyên môn Cuối cùng, xin cảm ơn thành viên gia đình thân u ln động viên, giúp đỡ kịp thời giúp tơi có động lực mạnh mẽ vượt qua khó khăn để hồn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn! ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ x MỞ ĐẦU xi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1.2 Lịch sử mạng di động tế bào 1.2.1 Thế hệ (1G) 1.2.2 Thế hệ thứ hai (2G) 1.2.3 Thế hệ thứ ba (3G) 1.2.4 Thế hệ thứ tư (4G) 1.2.5 Thế hệ thứ năm (5G) 1.2.5.1 Kiến trúc thông thường .5 1.2.5.2 Kiến trúc 5G siêu dày đặc 1.2.5.3 Một số vấn đề thách thức mạng di động 1.2.5.4 Lợi phổ tần số vô tuyến 1.2.5.5 Xu hướng phát triển 5G 1.3 Tổng quan truyền dẫn quang không gian tự .11 1.3.1 Các lợi hệ thống FSO 12 1.3.2 Ứng dụng công nghệ FSO 13 1.3.3 Mơ hình hệ thống FSO 14 iii 1.3.3.1 Bộ phát 15 1.3.3.2 Kênh truyền .17 1.3.3.3 Bộ thu 18 1.3.3.4 Các tham số đánh giá hiệu hệ thống FSO 20 1.3.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu hệ thống FSO .21 1.4 Kết luận chương 23 CHƯƠNG 2: CÁC MƠ HÌNH KÊNH TRUYỀN KHÔNG DÂY CHO MẠNG 5G 24 2.1 Giới thiệu 24 2.2 Sóng milimét (mmWave) 24 2.2.1 Các tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền .27 2.2.1.1 Hiện tượng đa đường (Multipath) 27 2.2.1.2 Hiệu ứng Doppler 28 2.2.1.3 Suy hao đường truyền 30 2.2.1.4 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) 30 2.2.2 Các dạng kênh truyền .30 2.2.2.1 Kênh truyền chọn lọc tần số không chọn lọc tần số 30 2.2.2.2 Kênh truyền chọn lọc thời gian không chọn lọc thời gian 31 2.2.3 Các mơ hình kênh .31 2.2.3.1 Mơ hình kênh theo phân bố Rayleigh .32 2.2.3.2 Mơ hình kênh theo phân bố Ricean .33 2.3 Truyền dẫn quang không gian tự (FSO) 35 2.3.1.1 Môi trường truyền dẫn 36 2.3.1.2 Tổn hao công suất 36 iv 2.3.1.3 Suy hao kênh truyền khơng khí .36 2.3.2 Nhiễu loạn khơng khí .37 2.3.2.1 Sự thăng giáng cường độ .38 2.3.2.2 Sự giãn xung 38 2.3.3 Lệch hướng thu – phát 38 2.3.4 Mơ hình kênh nhiễu loạn khơng khí .39 2.4 Kiến trúc lai FSO/mmWave 43 2.5 Kết luận chương 44 CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG LAI FSO/MMWAVE RF 45 3.1 Giới thiệu 45 3.2 Mơ hình hệ thống 46 3.2.1 Mơ hình liên kết FSO .46 3.2.2 Mơ hình liên kết RF mmWave .47 3.2.3 Tỷ lệ thích nghi .49 3.3 Phân tích hiệu .50 3.3.1 Mơ hình chuỗi Markov hai chiều 50 3.3.2 Thông lượng 52 3.3.3 Tỷ lệ sẵn sàng 52 3.4 Đánh giá kết mơ tính toán 53 3.5 Kết luận chương 58 KẾT LUẬN 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh 1G The first generation of mobile network 2G 3G 4G Tiếng Việt The second generation of mobile network The third generation of mobile network The fourth generation of mobile network Mạng di động hệ Mạng di động hệ thứ hai Mạng di động hệ thứ ba Mạng di động hệ thứ tư Mạng di động hệ thứ 5G The fifth generation of mobile network AR Adaptive Rate Tỷ lệ thích nghi Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng BBU Baseband Unit Thiết bị băng tần BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bit Base Station Trạm sở Cummulative Distribution Function Hàm phân bố tích lũy AWGN BS CDF CDMA Code Division Multiple Access CRAN Cloud Radio Access Network năm Đa truy cập phân chia theo mã Mạng truy cập vô tuyến đám mây D2D Device to Device Thiết bị tới thiết bị DVB Digital Video Broadcasting Phát video kỹ thuật số Enhanced Data Rates for GSM Công nghệ di động nâng cấp Evolution từ GPRS EVDO Evolution-Data Optimized Tối ưu hóa liệu nâng cao FinTech Financial Technology Cơng nghệ tài EDGE vi FR Tỷ lệ cố định Fixed Rate Truyền dẫn quang FSO Free Space Optic FTTC Fiber to the Curt GPRS General Packet Radio Services không gian tự Cáp quang - đồng Dịch vụ chuyển mạch gói vơ tuyến tổng hợp Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động Communications toàn cầu GSMA Group Special Mobile Association Hiệp hội di động đặc biệt HSDPA High Speed Downlink Packet Access HSUPA High Speed Uplink Packet Access GSM Truy cập gói đường xuống tốc độ cao Truy cập gói đường lên tốc độ cao IoT Internet of Things Internet vạn vật IoV Internet of Vehicles Internet kết nối phương tiện Internet Protocol Giao thức mạng Internet LOS Line of sight Đường truyền thẳng LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn MIMO Multiple In Multiple Out Đa phát đa thu MMS Multimedia Messaging Service IP tiện Sóng milimét mmWave Milimeter Wave OF Dịch vụ tin nhắn đa phương Optic Fiber Sợi quang OOK On-Off Keying Điều chế đóng mở PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RF Radio Frequency Tần số vô tuyến vii Đầu điều khiển vô tuyến từ RRH Remote Radio Head SAN Storage Area Network Mạng lưu trữ SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu nhiễu xa viii Giả sử tần số sóng mang 28 GHz, suy hao liên kết mmWave cho 𝐴𝑟 = 10𝐴𝑟 [𝑑𝐵]/10 , đó: 𝐴𝑟 [𝑑𝐵] = 𝐺𝑡 + 𝐺𝑟 − 20𝑙𝑜𝑔10 ( 4𝜋𝐿 𝜆𝑟 ) − 𝐿(𝛼𝑜𝑥𝑦 + 𝛼𝑟 ), [20] (3.9) 𝐺𝑡 độ lợi anten truyền, 𝐺𝑟 độ lợi anten nhận, 𝜆𝑟 bước sóng hệ thống RF, 𝛼𝑜𝑥𝑦 suy hao gây hấp thụ khơng khí mưa Độ lợi fading ℎ𝑟 kênh RF mơ hình hóa phân phối Ricean: 𝑓𝐻𝑟 (ℎ𝑟 ) = ℎ𝑟 ℎ𝑟2 +𝑠 𝜎𝑟 2𝜎𝑟2 𝑒𝑥𝑝 (− ) 𝐼0 ( ℎ𝑟 𝑠 𝜎𝑟2 ), [20] (3.10) 2𝜎𝑟2 cơng suất trung bình tổng thành phần khơng phản xạ, s2 thành phần LOS Cho 𝐾 = 𝑠 /2𝜎𝑟2 ta viết lại (3.10) thành: 𝑓𝐻𝑟 (ℎ𝑟 ) = 2(𝐾 + 1)ℎ𝑟 exp(−𝐾 − (𝐾 + 1)ℎ𝑟2 𝐼0 (2ℎ𝑟 √𝐾 (𝐾 + 1)), [20] (3.11) Tỷ số tín hiệu nhiễu (SNR) liên kết mmWave là: 𝛾𝑟 = 𝛾̅𝑟 ℎ𝑟2 , [20] (3.12) 𝛾̅𝑟 ký tự trung bình SNR liên kết mmWave cho 𝛾̅𝑟 = 𝑃𝑟 𝐴𝑟 /𝜎𝑁𝑟 , 𝑃𝑟 công suất truyền RF, phương sai nhiễu RF cho [ 𝜎𝑁𝑟 𝑑𝐵𝑚] = 𝑊𝑟 𝑁0 + 𝑁𝐹 , [20] (3.13) 𝑊𝑟 , 𝑁0 𝑁𝐹 băng thông RF, mật độ phổ công suất tạp âm (dBm/MHz) hệ số nhiễu máy thu [2] Các yếu tố suy hao kênh Af Ar phụ thuộc vào điều kiện thời tiết Các thông số phụ thuộc vào điều kiện thời tiết khác liên kết FSO mmWave đưa Bảng 3.1 Bảng 3.1 Các thông số phụ thuộc vào điều kiện thời tiết [2], [9], [14] Điều kiện thời tiết 𝜶𝒇 (dB/km) 𝜶𝒓 (dB/km) 𝑪𝟐𝒏 (m-2/3) Khơng khí lành 0,43 5×10-14 Sương mù vừa phải 42.2 2×10-15 Mưa vừa phải (12.5mm/h) 5.8 5.6 5×10-15 48 3.2.3 Tỷ lệ thích nghi Thơng tin trạng thái kênh cho 𝛾𝑓 𝛾𝑟 thông qua ước lượng kênh khối thu đưa trở lại phát qua kênh phản hồi Dựa vào thông tin trạng thái kênh, tốc độ truyền liệu điều chỉnh động máy phát Giả sử có J+1 I+1 chế độ truyền tải TM (Transmittion Mode) liên kết FSO mmWave: (0) (𝐽) (0) (𝐼) {𝑇𝑀𝑓 , … , 𝑇𝑀𝑓 }, {𝑇𝑀𝑟 , … , 𝑇𝑀𝑟 }, (𝑗) 𝑗 (𝑖) 𝑇𝑀𝑓𝑖 𝑇𝑀𝑟 tương ứng tốc độ truyền 𝑅𝑓 𝑅𝑟 Cũng giả sử có J+1 I+1 vùng giới hạn SNR không chồng chéo: (0) (1) (1) (2) (𝐽) (𝐽+1) )} , (0) (1) (1) (2) (𝐼) (𝐼+1) )} , {[𝛾𝑓 , 𝛾𝑓 ), [𝛾𝑓 , 𝛾𝑓 ), … , [𝛾𝑓 , 𝛾𝑓 {[𝛾𝑟 , 𝛾𝑟 ), [𝛾𝑟 , 𝛾𝑟 ), … , [𝛾𝑟 , 𝛾𝑟 (0) với giới hạn giới hạn giả sử 𝛾𝑓 (0) = 𝛾𝑟 (𝐽+1) = 𝛾𝑓 (𝐼+1) = 𝛾𝑟 = ∞ Một chế độ truyền tải TM liên kết với vùng giới hạn SNR theo nguyên tắc: 𝑗 (𝑗) (𝑗+1) (𝑖) (𝑖+1) 𝑇𝑀𝑓 = 𝑇𝑀𝑓 𝛾𝑓 ∈ [𝛾𝑓 , 𝛾𝑓 𝑇𝑀𝑟 = 𝑇𝑀𝑟𝑖 𝛾𝑟 ∈ [𝛾𝑟 , 𝛾𝑟 ), ), Trong hệ thống thực tế, tỷ lệ truyền vùng giới hạn SNR phải thiết kế trước Các sơ đồ điều chế thích nghi sử dụng để thực thiết kế Thực tế, ta sử dụng cấu hình dựa phần mềm thực chức vận hành cách linh hoạt máy phát máy thu [3] Mục đích tỷ lệ thích nghi cung cấp tốc độ truyền thơng tin cao trì BER0 Vì ta có: 𝑀𝑎𝑥 𝑀 | 𝑀 = 2𝑚 với 𝐵𝐸𝑅(𝛾, 𝑚) ≤ 𝐵𝐸𝑅0 , [20] (3.14) 𝐵𝐸𝑅(𝛾, 𝑚) điều kiện BER tương ứng với M-PSK cho bởi: 𝐴 𝐵𝐸𝑅 (𝛾, 𝑚) = 𝑒𝑟𝑓𝑐 (√𝛾𝐵) , 49 [20] (3.15) A = 1, B = m = 1(BPSK), A = 2/m, B = sin(π/2m) m > [7] Từ (3.14) (3.15) ta có: 𝛾 𝑚 =[ 𝑒𝑟𝑓𝑐𝑖𝑛𝑣( 2𝐵𝐸𝑅0 ) 𝐴 ] , 𝐵 [20] (3.16) [20] (3.17) [20] (3.18) Cuối cùng, giới hạn SNR biểu diễn bởi: (𝑗) 𝛾𝑓 = 𝛾 𝑚 , 𝑚 = 1,2,3, … , 𝐽, (𝑖) 𝛾𝑟 = 𝛾 𝑚 , 𝑚 = 1,2,3, … , 𝐼, Bảng 3.2 ví dụ sử dụng điều chế thích nghi M-PSK (M=2, m=1; 2…) để truyền liệu hệ thống FSO/mmWave, J = I = BER0 = 10-3 Tốc độ truyền TM biểu diễn số bit ký tự truyền [20] Bảng 3.2 Tỷ lệ thích ứng với M-PSK cho hệ thống FSO/mmWave J = I = BER = 10-3 [20] Ngưỡng SNR (dB) Tốc độ truyền tin Kiểu điều chế (bits/ký tự) Chế độ truyền tải (−∞ ÷ 6,7895) Không truyền tải 𝑇𝑀𝑓 , 𝑇𝑀𝑟 [6,7895 ÷ 9,7998) BPSK 𝑇𝑀𝑓 , 𝑇𝑀𝑟 [9,7998 ÷ 14,7814) QPSK 𝑇𝑀𝑓 , 𝑇𝑀𝑟 [14,7814 ÷ 20,3673) 8-PSK 𝑇𝑀𝑓 , 𝑇𝑀𝑟 [20,3673 ÷ 26,1286) 16-PSK 𝑇𝑀𝑓 , 𝑇𝑀𝑟 [26,1286, ∞) 32-PSK 𝑇𝑀𝑓 , 𝑇𝑀𝑟 (0) (0) (1) (1) (2) (2) (3) (3) (4) (4) (5) (5) 3.3 Phân tích hiệu 3.3.1 Mơ hình chuỗi Markov hai chiều Hoạt động hệ thống xây dựng miền thời gian rời rạc, với đơn vị thời gian đo chu kỳ truyền dẫn Các trạng thái hệ thống quan sát thời điểm bắt đầu chu kỳ Gọi 𝜁 = (𝑇𝑀𝑓 (𝑡 ), 𝑇𝑀𝑟 (𝑡 )) trạng 50 thái hệ thống chu kỳ t, 𝑇𝑀𝑓 (𝑡 ) ∈ {0, … , 𝐽}, 𝑇𝑀𝑟 (𝑡 ) ∈ {0, … , 𝐼} đại diện cho TM kênh FSO kênh mmWave Với t = đến ∞, hoán đổi trạng thái 𝜁 gọi Markovian Một chuỗi Markov sử dụng để mơ tả q trình hàng đợi Trạng thái không gian chuỗi Markov hữu hạn là: 𝑆 = {𝑆𝜇 } 𝑁𝑠 𝜇=1 , 𝑁𝑠 = (𝐽 + 1)(𝐼 + 1), 𝑆𝜇 = (𝑗, 𝑖) (Hình 3.2) Hình 3.2 Trạng thái khơng gian chuỗi Markov tỷ lệ thích nghi hệ thống FSO/mmWave [20] Ở trạng thái cân bằng, trạng thái (j, i) có xác suất 𝜋(𝑗,𝑖) Gọi Π = [𝜋(0,0) , 𝜋(0,1) , … , 𝜋(0,𝐼) , … , 𝜋(𝐽,0) , … , 𝜋(𝐽,𝐼) ] ma trận xác xuất ổn định trạng thái Từ Hình 3.2, xác xuất ổn định trạng thái biểu diễn [20]: (𝑗) (𝑗+1) 𝜋(𝑗,𝑖) = 𝑃(𝛾𝑓 < 𝛾𝑓 ≤ 𝛾𝑓 (𝑗+1) 𝛾𝑓 =∫ ) 𝑓𝛾𝑟 (𝛾𝑟 ) 𝑑𝛾𝑟 (𝑖) 𝛾𝑟 (𝑗+1) = [𝐹𝛾𝑓 (𝛾𝑓 (𝑖+1) (𝑖+1) 𝛾𝑟 𝑓𝛾𝑓 (𝛾𝑓 ) ∫ (𝑗) 𝛾𝑓 (𝑖) )𝑃(𝛾𝑟 < 𝛾𝑟 ≤ 𝛾𝑟 (𝑗) (𝑖+1) ) − 𝐹𝛾𝑓 (𝛾𝑓 )] [𝐹𝛾𝑟 (𝛾𝑟 51 (𝑖) ) − 𝐹𝛾𝑟 (𝛾𝑟 )] , (3.19) 𝑓𝛾𝑓 ( ) 𝐹𝛾𝑓 ( ) PDF CDF 𝛾𝑓 , 𝑓𝛾𝑟 ( ) 𝐹𝛾𝑟 ( ) PDF CDF 𝛾𝑟 Sử dụng hai công thức (3.3) (3.7) cho liên kết FSO, công thức (3.11) (3.12) cho liên kết mmWave, sau chuyển đổi biến ngẫu nhiên ℎ𝑓 ℎ𝑟 , ta có [20]: 𝛼+𝛽 𝑓𝛾𝑓 (𝛾𝑓 ) = 𝑓𝛾𝑟 (𝛾𝑟 ) = 𝐹𝛾𝑓 (𝛾𝑓 ) = 𝛼+𝛽 −1 (𝛼𝛽) 𝛼+𝛽 ̅𝑓 Γ(𝛼)Γ(𝛽)𝛾 𝐾+1 ̅𝑟 𝛾 𝛾𝑓 𝛾𝑓 × 𝐾𝛼−𝛽 (2√𝛼𝛽√̅ ), (3.20) 𝛾𝑓 𝛾 𝛾 exp (−𝐾 − (𝐾 + 1) ̅𝑟) × 𝐼0 ( √𝐾(𝐾 + 1) ̅𝑟 ) , (3.21) 𝛾𝑟 2,1 𝐺1,3 Γ(𝛼)Γ(𝛽) 𝛾𝑓 [𝛼𝛽 √ | ̅𝑓 𝛾 𝐹𝛾𝑟 (𝛾𝑟 ) = − 𝑄1 (√2𝐾, √ ], (3.22) 𝛼,𝛽,0 2(𝐾+1)𝛾𝑟 ̅𝑟 𝛾 𝛾𝑟 ), (3.23) 3.3.2 Thông lượng Đối với trạng thái (j,i), ký tự truyền liên kết FSO mang bit thông tin j cho chế độ gắn với chòm 2j-PSK, ký tự truyền liên kết mmWave mang bit thơng tin i cho chế độ gắn với chịm 2i-PSK Với cơng suất khơng đổi, tỷ lệ thích nghi rời rạc với giả định xung liệu Nyquist lý tưởng cho chịm sao, tổng thơng lượng trung bình tính sau: 𝑇[𝑏𝑖𝑡𝑠/𝑠] = ∑𝐽𝑗=0 ∑𝐼𝑖=0 𝜋(𝑗,𝑖) (𝑗𝑊𝑓 + 𝑖𝑊𝑟 ) , [20] (3.24) Trong 𝑊𝑓 băng thông liên kết FSO, 𝑊𝑟 băng thông liên kết mmWave Để thể biến đổi thơng lượng chuẩn hóa, giả định 𝑊𝑓 = 𝑊𝑟 = W Thơng lượng chuẩn hóa trung bình hệ thống lai FSO/mmWave [20]: 𝑏𝑖𝑡𝑠 𝑇𝑛 [ 𝑠 /𝐻𝑧] = 𝑇 𝑊 = ∑𝐽𝑗=0 ∑𝐼𝑖=0 𝜋(𝑗,𝑖) (𝑗 + 𝑖) , [20] (3.25) 3.3.3 Tỷ lệ sẵn sàng Trong hệ thống FSO/mmWave RF song song nghiên cứu, tỷ lệ sẵn sàng định nghĩa khả hệ thống tiếp tục truyền liệu hiệu ứng thời tiết Rõ ràng, khơng có truyền dẫn diễn hệ thống rơi vào trạng thái (0,0) Vì vậy, tỷ lệ sẵn sàng tính tốn đơn giản [20]: 52 𝑃𝑎 [%] = (1 − 𝜋(0,0) ) × 100 , [20] (3.26) 3.4 Đánh giá kết mơ tính tốn Bảng 3.3 Các thông số hệ thống Liên kết FSO Thơng số Ký hiệu Giá trị Độ dài sóng Laser λf 1600 nm Công suất phát Pf 10 mW Độ nhạy quang η 0,7 A/W Phương sai nhiễu 𝜎𝑁2𝑓 10-7 A2 Độ rộng chùm tia ∅ mrad Đường kính máy thu D 25 cm Liên kết MMW Thông số Ký hiệu Giá trị Tần số sóng mang fr 28 GHz Công suất phát Pr 10 mW Băng thông Wr 250 MHz Độ lợi anten phát Gt 40 dBi Độ lợi anten thu Gr 40 dBi Suy hao không khí αoxy 15,5 dB/km Mật độ phổ cơng suất tạp âm N0 -120 dBm/MHz Hệ số nhiễu máy thu NF dB Hằng số Ricean K dB Trong phần này, ta sử dụng thông số hệ thống bao gồm tỷ lệ thích nghi FSO/mmWave (FSO/mmWave – AR), tỷ lệ cố định FSO/mmWave (FSO/mmWave - FR) [2][9], tỷ lệ thích nghi mmWave (mmWave – AR) tỷ lệ thích nghi FSO (FSO – AR) [20] cho điều kiện thời tiết khoảng cách truyền khác Đối với tỷ lệ cố định FSO/mmWave-FR, giả định hai liên kết sử dụng 32-PSK làm điều chế chung; thông số khác, tham số tỷ lệ thích nghi sử dụng Bảng 53 Tham số hệ thống tương ứng với hai liên kết riêng biệt tham số tương ứng với điều kiện thời tiết khác đưa Bảng 3.1 Bảng 3.3 Các kết mô nhằm so sánh bốn thông số nêu điều kiện thời tiết khác thể hình 3.3, hình 3.4 hình 3.5 Nhìn chung, hệ thống FSO/mmWave–AR đạt hiệu tốt trường hợp nhờ lợi kết hợp hai yếu tố FSO mmWave Các hệ thống lại FSO/mmWave-FR, FSO-AR mmWave-AR khơng thể trì hiệu tốt, đặc biệt khoảng cách truyền dài điều kiện thời tiết không thuận lợi Tiếp theo, ta so sánh hiệu thông số xem xét điều kiện thời tiết khoảng cách truyền khác Đúng dự kiến, hệ thống hoạt động tốt trường hợp khơng khí lành khoảng cách ngắn Ví dụ, khoảng cách 1000m, độ tin cậy gần đạt 100% cho tất hệ thống Hình 3.3 So với khơng khí lành, hiệu hệ thống trở nên trường hợp có điều kiện mưa sương mù Khi hệ số suy hao liên kết FSO tương đối cao điều kiện sương mù, việc truyền liệu hệ thống có FSO bị chặn hoàn toàn (tức là, Tn= Pa = 0) khoảng cách truyền cao 500m (Hình 3.4) Trong điều kiện mưa, khoảng cách truyền lớn 1200m, tất hệ thống hoạt động (Hình 3.5) 54 Hình 3.3 Kết mơ điều kiện khơng khí lành [20] 55 Hình 3.4 Kết mơ điều kiện sương mù vừa phải [20] 56 Hình 3.5 Kết mơ điều kiện mưa vừa phải (12.5mm/h) [20] 57 3.5 Kết luận chương Nội dung chương đưa khái niệm tỷ lệ thích nghi hệ thống lai FSO/mmWave để nâng cao hiệu hệ thống Ứng dụng chuỗi Markov để phân tích hiệu hệ thống Sử dụng hai thông số thông lượng tỷ lệ sẵn sàng để đánh giá hiệu hệ thống điều kiện thời tiết khác Kết thu cho thấy, hệ thống FSO/mmWave đưa có hiệu tốt so với hệ thống sử dụng công nghệ riêng rẽ khác tác động điều kiện thời tiết khoảng cách truyền đến hiệu hệ thống lớn 58 KẾT LUẬN Đối với công nghệ mạng di động 5G, thách thức lớn đáp ứng gia tăng nhanh chóng số lượng người dùng khả lưu trữ liệu Sử dụng công nghệ mmWave FSO giải thách thức Tuy nhiên, yếu tố thời tiết suy hao ảnh hưởng lớn tới công nghệ truyền dẫn không dây Luận văn “Ứng dụng truyền dẫn quang không gian tự cho mạng 5G” đưa số đóng góp sau: - Nghiên cứu, xây dựng mơ hình hệ thống lai FSO/mmWave RF ảnh hưởng điều kiện thời tiết khác - Đưa kết ảnh hưởng điều kiện thời tiết khác đến hệ thống - Sử dụng lý thuyết chuỗi Markov, xây dựng cơng thức giải tích tính thơng lượng, tính tỷ lệ sẵn sàng để đánh giá hệ thống - Kết thu cho thấy tiềm lớn sử dụng hệ thống lai ghép ứng dụng cho mạng di động 5G tương lai Hướng nghiên cứu - Tính tốn SNR đo máy thu ảnh hưởng fading điều kiện thời gian - Xây dựng hệ thống đánh giá ảnh hưởng số điều kiện bất lợi khác độ lệch máy phát máy thu gió mạnh, rung lắc toàn nhà… - Xây dựng hệ thống lai FSO/mmWave qua nhiều node chuyển tiếp nhằm tiết kiệm chi phí theo hai đường riêng biệt 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO A Eslami, S Vangala, and H Pishro-Nik (2010), “Hybrid channel codes for efficient fso/rf communication systems,” IEEE Transactions on Communications, vol 58, pp 2926–2938 B He and R Schober (2009), “Bit-interleaved coded modulation for hybrid rf/fso systems,” Communications, IEEE Transactions on, vol 57, pp 3753–3763 B Teipen, M Eiselt, K Grobe, and J.-P Elbers (2012), “Adaptive data rates for flexible transceivers in optical networks,” Journal of Networks, vol 7, no C Dehos, J L Gonzalez, A D Domenico, D Ktenas, and L Dussopt (2014), “Millimeter-wave access and backhauling: The solution to the exponential data traffic increase in 5G mobile communications systems?,” IEEE Commun Mag., vol 52, no 9, pp 88–95 Cisco (2015), “Visual Networking Index,” White paper, [Online] Available: www.cisco.com D Schulz, V Jungnickel, C Alexakis, M Schlosser, J Hilt, A Paraskevopoulos, L Grobe, P Farkas, and R Freund (2016), “Robust optical wireless link for the backhaul and fronthaul of small radio cells,” IEEE/OSA J Lightw Technol., vol 34, no 6, pp 1523–1532 F Barros, K Ahl, and V Chaillou (2015), “Creating a Connected Continent,” Press Conference Warsaw [Online] Available: www.ftthcouncil.eu H Dahrouj, A Douik, F Rayal, T Y Al-Naffouri, and M.-S Alouini (2015), “Costeffective hybrid RF/FSO backhaul solution for next generation wireless systems,” IEEE Wireless Commun., vol 22, no 5, pp 98-104 H Kazemi, M Uysal, and F Touati (2014), “Outage analysis of hybrid fso/rf systems based on finite-state markov chain modeling,” in 2014 3rd 60 International Workshop in Optical Wireless Communications, pp 11– 15 10 Hiền T T P (2016), Nghiên cứu giải pháp cải thiện hiệu hệ thống truyền thông quang không dây, Mã số 62.52.02.08, Hà Nội 11 J G Andrews, S Buzzi, W Choi, S V Hanly, A Lozano, A C K Soong, and J C Zhang [2014], “What will 5G be?,” IEEE J Sel Areas Commun., vol 32, no 6, pp 1065–1082 12 Lực B N (2014), Đánh giá hiệu hệ thống FSO ảnh hưởng nhiễu loạn mạnh, Mã số 60.52.02.08, Hà Nội 13 M Agiwal, A Roy, and N Saxena (2016), “Next generation 5G wireless networks: A comprehensive survey,” IEEE Commun Surveys Tuts., vol 18, no 3, pp 1617–1655 14 N Chatzidiamantis, G Karagiannidis, E Kriezis, and M Matthaiou (2011), “Diversity combining in hybrid rf/fso systems with psk modulation,” in 2011 IEEE International Conference on Communications, pp 1–6 15 Phuc V Trinh (2017), “Channel Modeling for Hybrid Free-Space Optics/Radio Wireless Systems for Fifth-Generation (5G) Mobile Backhaul Networks,” Ph.D Thesis, The University of Aizu (UoA), Aizuwakamatsu, Japan 16 R K Singh, D Bisht and Rc Prasad (2017), “Development of 5G Mobile Network Technology and Its Architecture ”, International Journal of Recent Trends in Engineering & Research, vol 03, pp 196201 17 T E Bogale and L B Le (2016), “Massive MIMO and mmWave for 5G wireless HetNet: Potential benefits and challenges,” IEEE Veh Technol Mag., vol 11, no 1, pp 64–75 61 18 Theodore S Rappaport, Wonil Roh & Kyungwhoon Cheun (2014), “Smart Antennas Could Open Up New Spectrum For 5G,” IEEE Spectrum Magazine 19 Tú N N (2016), Đánh giá hiệu hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật điều chế cường độ sóng mang phụ, Mã số 60.52.02.08, Hà Nội 20 V V Mai and A T Pham (2015), “Performance analysis of parallel FSO/MMW systems with adaptive rate under weather effects,” In Proc of the IEEE 21st AsiaPacific Conference on Communications (APCC), pp 193–198, Kyoto, Japan 21 X Ge, S Tu, G Mao, C.-X Wang, and T Han (2016), “5G ultra-dense cellular networks,” IEEE Wireless Commun., vol 23, no 1, pp 72–79 22 Z Ghassemlooy, W Popoola, and S Rajbhandari (2012), Optical Wireless Communications: System and Channel Modeling With MATLAB, Boca Raton, FL, USA: CRC Press 62 ... sử mạng di động tế bào công nghệ truyền dẫn quang khơng gian tự (FSO) Từ nghiên cứu ưu điểm công nghệ FSO để ứng dụng cho mạng 5G xi - Chương 2: “Các mơ hình kênh truyền không dây cho mạng 5G? ??... Đồng thời cho thấy nhìn tổng quan truyền dẫn quang không gian tự do, nhằm ứng dụng lợi hệ thống FSO để giải vấn đề tồn công nghệ 5G 23 CHƯƠNG 2: CÁC MƠ HÌNH KÊNH TRUYỀN KHÔNG DÂY CHO MẠNG 5G 2.1... - NGUYỄN NGỌC THÁI ỨNG DỤNG CỦA TRUYỀN DẪN QUANG TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO CHO MẠNG 5G LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS.TS HÀ DUYÊN TRUNG