Bài giảng công nghệ vô tuyến băng rộng

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG Đặng Thế Ngọc, Nguyễn Viết Đảm IT Phạm Thị Thúy Hiền, Nguyễn Viết Minh PT BÀI GIẢNG CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN BĂNG RỘNG (Lƣu hành nội bộ) Hà nội, 12/2017 LỜI NÓI ĐẦU Việc sử dụng sáng tạo hiệu công nghệ thông tin truyền thông (ICT) ngày trở nên quan trọng việc cải thiện kinh tế giới Mạng truyền thông không dây yếu tố quan trọng chiến lƣợc ICT toàn cầu tảng cho nhiều ngành công nghiệp khác Đây lĩnh vực phát triển nhanh động giới Sự thành công phi thƣờng truyền thông di động không dây đƣợc phản ánh tốc độ đổi công nghệ nhanh chóng Từ hệ thống truyền thơng di động hệ thứ hai (2G) mắt vào năm 1991 tới hệ thống 3G đƣợc mắt lần vào năm 2001, mạng di động không dây chuyển đổi từ hệ thống điện thoại túy sang mạng truyền tải nội dung đa phƣơng tiện phong phú Các hệ thống không dây 4G đƣợc thiết kế để đáp ứng yêu cầu (IMT-A) sử dụng IP cho tất dịch vụ [3] Trong hệ thống 4G, giao diện vô tuyến tiên tiến đƣợc sử dụng với OFDM, đa đầu vào đa đầu IT (MIMO) cơng nghệ thích ứng đƣờng truyền Mạng khơng dây 4G hỗ trợ tốc độ liệu lên đến Gb/s cho tính di động thấp lên đến 100 Mb/s cho tính di động cao PT Tuy nhiên, hàng năm có gia tăng mạnh mẽ số lƣợng ngƣời sử dụng đăng ký hệ thống di động băng thông rộng Ngày có nhiều ngƣời mong muốn truy cập Internet nhanh di chuyển, điện thoại thông minh hơn, và, nói chung, truyền thơng với ngƣời khác truy cập thông tin cách tức thời Các điện thoại thông minh máy tính xách tay mạnh mẽ ngày trở nên phổ biến nay, đòi hỏi khả đa phƣơng tiện tiên tiến Điều dẫn đến bùng nổ thiết bị dịch vụ di động không dây Khi ngày nhiều thiết bị trở nên không dây, nhiều thách thức nghiên cứu cần đƣợc giải Để đáp ứng yêu cầu mạng thơng tin vơ tuyến nói chung mạng di động nói riêng tƣơng lai, cần có thay đổi mạnh mẽ thiết kế kiến trúc mạng nhƣ công nghệ xử lý truyền dẫn tín hiệu băng rộng Bài giảng “Các cơng nghệ vơ tuyến băng rộng” cung cấp cấp cho sinh viên kiến thức số công nghệ vô tuyến băng rộng hứa hẹn ứng dụng hệ thống thông tin di động hệ sau nhƣ: thông tin vô tuyến chuyển tiếp hợp tác; công nghệ vô tuyến khả tri; hệ thống thông tin di động hệ sau; thông tin quang không dây; hệ thống thông tin di động băng siêu rộng i Đây môn học dành cho sinh viên năm cuối chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử Truyền thông Học viện Công nghệ Bƣu Viễn thơng Bài giảng có cấu trúc 07 chƣơng Chƣơng củng cố lại kiến thức cho sinh viên kỹ thuật xử lý tín hiệu thu phát vơ tuyến Chƣơng trình bày số giải pháp cải thiện hiệu hệ thống thơng tin vơ tuyến nhƣ MIMO thích ứng MIMO kết hợp OFDM Chƣơng trình bày hệ thống thông tin vô tuyến chuyển tiếp hợp tác Công nghệ truyền dẫn băng siêu rộng nội dung Chƣơng Chƣơng đề cập đến cơng nghệ vơ tuyến khả tri Chƣơng trình bày hệ thống thông tin di động hệ sau bao gồm 5G, WiMAX WIFI Cuối cùng, nội dung Chƣơng đề cập tới công nghệ truyền thông quang không dây PT IT Hà Nội ngày 22 tháng 12 năm 2017 ii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i MỤC LỤC i THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC HÌNH VẼ xx DANH MỤC BẢNG BIỂU xxvii CHƢƠNG CÁC KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU VÀ THU PHÁT VƠ TUYẾN .1 1.1 Mơ hình hệ thống thông tin vô tuyến 1.1.1 Phía phát 1.1.2 Phía thu 1.1.3 Giao diện môi trƣờng truyền dẫn IT 1.2 Mã hóa kênh 1.2.1 Khái quát mã hóa kênh kiểm soát lỗi 1.2.2 Các nguyên tắc mã hóa kênh kiểm soát lỗi PT 1.3 Kỹ thuật điều chế giải điều chế 1.4 Kỹ thuật đa truy nhập 1.5 Kỹ thuật phân tập không gian 13 1.6 Ƣớc tính kênh cân kênh 16 1.6.1 Giới thiệu cân băng kênh điển hình 17 1.6.2 Bộ cân cƣỡng không, ZF .18 1.6.3 Bộ cân sai lỗi bình phƣơng trung bình tuyến tính .20 1.6.4 Tính tốn hệ số cân tuyến tính 21 1.6.5 Bộ cân phản hồi định, DFE 24 1.6.6 Tổn thất tỷ số tín hiệu tạp âm DFE 26 1.7 Tổng kết chƣơng 27 Câu hỏi chƣơng .27 Tài liệu tham khảo chƣơng 29 i CHƢƠNG MỘT SỐ GIẢI PHÁP CẢI THIỆN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 30 2.1 Mở đầu 30 2.2 Mơ hình lập biểu thích ứng đƣờng truyền 32 2.2.1 Tài nguyên thích ứng .32 2.2.2 Tài nguyên chiến lƣợc ấn định tài nguyên .33 2.2.3 Thích ứng đƣờng truyền .43 2.3 Điều chế mã hóa kênh thích ứng 50 2.3.1 Điều chế thích ứng 50 2.3.2 Điều chế thích ứng mã hóa khối Turbo tỷ lệ mã khả biến 52 2.3.3 Kỹ thuật điều chế mã hóa thích ứng AMC 60 IT 2.4 Hệ thống MIMO thích ứng 61 2.4.1 Hệ thống MIMO với lựa chọn anten thích ứng 61 2.4.2 Hệ thống MIMO thích ứng 4G-LTE 72 PT 2.5 Kết hợp kỹ thuật MIMO kĩ thuật OFDM .72 2.5.1 Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM .72 2.5.2 Ƣớc tính kênh MIMO-OFDM 75 2.6 Tổng kết chƣơng 79 Câu hỏi chƣơng .79 Tài liệu tham khảo chƣơng 80 CHƢƠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP VÀ HỢP TÁC 82 3.1 Mở đầu 82 3.2 Tổng quan vô tuyến hợp tác 83 3.3 Phƣơng thức truyền tín hiệu hợp tác hai ngƣời dùng 87 3.3.1 Khuếch đại chuyển tiếp 88 3.3.2 Giải mã chuyển tiếp 89 3.3.3 Mã hóa hợp tác .91 3.3.4 Kỹ thuật nén chuyển tiếp 91 ii 3.4 Định tuyến phân bổ tài nguyên mạng đa chặng 92 3.4.1 Cơ sở toán học .93 3.4.2 Mục tiêu phân loại giao thức định tuyến 94 3.4.3 Định tuyến nguồn 94 3.4.4 Định tuyến dựa trạng thái liên kết 96 3.4.5 Định tuyến véc-tơ khoảng cách .97 3.4.6 Định tuyến theo địa lý 98 3.4.7 Định tuyến theo phân cấp .99 3.4.8 Ảnh hƣởng tính di động nút 99 3.4.9 Định tuyến điều khiển liệu 101 3.4.10 Chiến lƣợc phân bổ công suất 102 IT 3.5 Định tuyến phân bổ tài nguyên mạng hợp tác 102 3.5.1 Định tuyến kết nối rời rạc định tuyến đƣờng .103 22.5.2 Định tuyến với tích lũy lƣợng 104 PT 3.5 Tổng kết chƣơng 105 Câu hỏi chƣơng .105 Tài liệu tham khảo chƣơng 106 CHƢƠNG HỆ THỐNG THÔNG TIN BĂNG SIÊU RỘNG 107 4.1 Mở đầu .107 4.2 Khái niệm vô tuyến băng siêu rộng UWB 108 4.2.1 Độ rộng băng tần phân đoạn 108 4.2.2 Tín hiệu UWB 112 4.2.3 Đặc điểm tín hiệu hệ thống UWB 112 4.3 Tạo tín hiệu UWB .117 4.3.2 Tạo tín hiệu UWB nhảy thời gian: TH-UWB .123 4.3.3 Tạo tín hiệu UWB chuỗi trực tiếp DS-UWB 126 4.3.4 Tạo tín hiệu UWB đa băng tần: MB-UWB 128 iii 4.4 Kênh truyền UWB 131 4.4.1 Đặc tính hóa kênh UWB 131 4.4.2 Mô hình kênh UWB đa đƣờng theo IEEE 802.15.3a 133 4.4.3 Mơ hình kênh UWB đa đƣờng theo IEEE 802.15.4a 139 4.5 Máy thu hệ thống UWB 147 4.5.1 Thu xử lý tín hiệu mơi trƣờng kênh AWGN 149 4.5.2 Máy thu tín hiệu PPM nhị phân trực giao 152 5.5.3 Máy thu tín hiệu PPM nhị phân khơng trực giao .155 4.5.4 Máy thu tín hiệu M-PPM trực giao 157 4.6 Tổng kết chƣơng 159 Câu hỏi chƣơng .159 IT Tài liệu tham khảo chƣơng 160 CHƢƠNG CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN KHẢ TRI 162 5.1 Giới thiệu vô tuyến khả tri 162 PT 5.2 Kiến trúc hệ thống vô tuyến khả tri 163 5.3 Đặc điểm vô tuyến khả tri 164 5.4 Cảm nhận phổ tần 166 5.4.1 Vấn đề đầu cuối ẩn .168 5.4.2 Cảm nhận phổ dựa vào phát lƣợng 168 5.4.3 Cảm nhận phổ dựa vào đặc tính phát dừng tuần hồn 170 5.4.4 Cảm nhận phổ dựa vào lọc hòa hợp 174 5.5.5 Cảm nhận phổ tần vô tuyến UWB đa băng MB-OFDM 175 5.5.6 Cộng tác cảm nhận phổ tần 176 5.6 Quản lý phổ tần 179 5.7 Chia sẻ phổ tần 180 5.8 Tổng kết chƣơng 181 Câu hỏi chƣơng .181 iv Tài liệu tham khảo chƣơng 182 CHƢƠNG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ SAU 185 6.1 Giới thiệu 185 6.2 Hệ thống thông tin di động 4G LTE-Advanced 185 6.2.1 IMT-Advanced 185 6.2.2 Tổng quan LTE-Advanced 187 6.2.3 Công nghệ vô tuyến LTE-Adv .189 6.3 Hệ thống thông tin di động 5G 207 6.3.1 Tổng quan 5G .207 6.3.2 Kiến trúc mạng 5G 210 6.3.3 Vô tuyến 5G (NR) .213 IT 6.3.4 Các công nghệ then chốt cho 5G 215 6.4 Hệ thống WIMAX/WIFI hệ sau 226 6.4.1 WiMAX hệ sau .226 PT 6.4.2 WiFi hệ sau 228 6.5 Mạng không đồng HetNet 231 6.5.1 Cơ HetNet .231 6.5.2 Các đặc tính thiết kế then chốt 232 6.5.3 Hiệu HetNets 237 6.6 Kết luận chƣơng 239 Câu hỏi chƣơng .239 Tài liệu tham khảo chƣơng 241 CHƢƠNG 243 THÔNG TIN QUANG KHÔNG DÂY .243 7.1 Giới thiệu 243 7.2 Hệ thống truyền thông quang khơng dây ngồi trời FSO 244 7.2.1 Các ƣu điểm thách thức hệ thống FSO 246 v 7.2.2 Các ứng dụng hệ thống FSO 249 7.2.3 Các kiến trúc mạng FSO .250 7.2.4 Mơ hình hệ thống FSO .252 7.2.4 Mơ hình kênh quang trời FSO 257 7.3 Hệ thống truyền thông quang không dây nhà 270 7.3.1 Tính chất cơng nghệ VLC .271 7.3.2 Ứng dụng công nghệ VLC 272 7.3.3 So sánh VLC với công nghệ truyền thông vơ tuyến 274 7.3.4 Mơ hình kênh quang không dây nhà 276 7.3.5 Hiệu hệ thống VLC nhà 290 7.4 Tổng kết chƣơng 301 IT Câu hỏi chƣơng .301 PT Tài liệu tham khảo chƣơng 302 vi THUẬT NGỮ VIẾT TẮT A AAS Adaptive Atenna System Hệ thống anten thích ứng ACK Acknowledge Cơng nhận AES Advanced Encryption Standard Chuẩn mật mã tiên tiến AF Assured Fowarding Chuyển có đảm bảo AG Absolute Grant Cho phép tuyệt đối AK Authentication Key Khóa nhận thực AKA Authentication AMC Adaptive A-MIMO AMS Modulation PT Codding Key Thỏa thuận nhận thực khóa IT Agreement and and Điều chế mã hố thích ứng Adaptive Multiple Input Multiple Đa đầu vào đa đầu thích Output ứng Adaptive MIMO Switching Chuyển mạch MIMO thích ứng AoA Angle of Arrival Góc tới ARQ Automatic Repeat reQuest Yêu cầu phát lặp tự động API Application Interface ASN Access Services Network Mạng dịch vụ truy nhập ASN-GW ASN- Gateway Cổng ASN ASP Application Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ Programming Giao diện lập trình ứng dụng vii f 3dB  2f l (7.60) 7.3.5 Hiệu hệ thống VLC nhà Hình 7.27 mơ tả sơ đồ khối hệ thống VLC Độ mờ thách thức với đèn sợi đốt đèn xả khí, đèn LED thuận lợi việc kiểm soát độ mờ đáp ứng theo thời gian LED suốt qua trình hoạt động tắt ngắn (chỉ vài nano giây) Bằng cách điều chế dòng tức thời tần số tƣơng đối cao tắt, mở LED không nhận thấy đƣợc mắt ngƣời Do đó, ánh sáng phát từ LED tần số cao dịng xung có mức cơng suất trung bình thấp Dịng ánh sáng trung bình phát từ LED tỷ lệ tuyến tính với độ rộng tƣơng đối độ mờ tín hiệu Tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng độ an tồn, máy phát LED laser bán dẫn LED đƣợc ƣu tiên sử dụng laser ứng dụng với mục đích kép chiếu sáng truyền thơng nhƣ trƣờng hợp VLC Yêu cầu độ chiếu sáng ánh sáng phải IT 200 – 1000 lx với mơi trƣờng văn phịng [11] Có hai loại đền LED : LED đơn (phát ánh sáng đỏ, xanh xanh dƣơng) LED ánh sáng trắng Hiện có hai cơng nghệ tạo ánh sáng trắng cách sử dụng đèn nhiểu LED (hình 7.28) Bằng cách kết hợp màu đỏ ( 625 nm), xanh (525 nm) màu xanh (470 nm) (RGB) PT theo tỷ lệ xác (giống nhƣ màu tivi), để tạo ánh sáng trắng Thông thƣờng, thiết bị triplet bao gồm gói có phát kết hợp với thấu kính quang, chúng thƣờng đƣợc sử dụng ứng dụng yêu cầu phát ánh sáng nhiều màu khác Các thiết bị hấp dẫn hệ thống VLC chúng cung cấp khả ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng (WDM) Hình 7.27 Sơ đồ khối hệ thống VLC 290 Hình 7.28 Hai phƣơng pháp tạo ánh sáng trắng từ LED Có kỹ thuật khác tạo LED trắng huỳnh quang, Kỹ thuật bao gồm việc sử dụng đèn LED xanh phủ lớp phôtpho phát ánh sáng màu vàng Lớp phôt hấp thụ phần ánh sáng có bƣớc sóng ngắn đƣợc phát LED xanh, sau ánh sáng phát từ bƣớc sóng hấp thụ sang bƣớc sóng dài ánh sáng màu vàng Bức xạ màu đỏ trộn với chất không bị hấp thụ màu xanh tạo nên màu trắng yêu cầu Hiện nay, phƣơng pháp tiếp cận đƣợc dùng phổ biến độ phức tạp chi IT phí thấp Tuy nhiên, phản ứng chậm phôt giới hạn băng thông điều chế đèn LED trắng huỳnh quang (vài MHz) Một tuyến VLC điển hình sử dụng đèn LED trắng đƣợc thể hình 7.29a, ánh sáng đƣờng truyền thông đƣợc PT cung cấp đèn LED Ánh sáng màu xanh dễ dàng chiết xuất từ chùm quang tới cách sử dụng lọc quang máy thu Hình 7.29b 7.29c hiển thị phổ tín hiệu ánh sáng trắng phát băng thông điều chế đo đƣợc đèn LED trắng huỳnh quang Đối với đèn LED xét dƣới đây, tần số cắt dB đáp ứng trắng  2,5 MHz, dòng điều khiển 300 mA so với  20 MHz đáp ứng màu xanh (hình 8.4) Băng thơng điều chế tín hiệu nhỏ LED trắng phụ thuộc vào dịng điều khiển LED hình 7.30 291 IT PT HÌnh 7.29 (a) Đƣờng truyền VLC, (b) Phổ quang LED LED ánh sáng trắng Osram Ostar, (c) băng thơng điều chế (có khơng có lọc màu xanh) 292 Hình 7.30 Đo điều chế dB, với lọc màu xanh, hàm dòng điều khiển Để thu đƣợc dòng liệu tốc độ cao, băng thông giới hạn lớp phủ phôt cần đƣợc phá vỡ Một số kỹ thuật áp dụng để dạt đƣợc điều là: đáp ứng chậm IT Sử dụng lọc ánh sáng xanh máy thu để lọc thành phần màu vàng Sử dụng cân trƣớc mô dun điều khiển LED PT Sự phân cấp máy thu Kết hợp ba kỹ thuật Sử dụng phƣơng pháp điều chế phức tạp Các tiếp cận liên quan đến việc kết hợp kỹ thuật điều chế đa mức nhƣ điều chế iên độ cầu phƣơng (QAM) với OFDM quang điều chế đ tone rời rạc (DMT) Khi sử dụng với lọc màu xanh, tốc độ truyền dẫn đƣợc mở rộng đến hàng trăm Mb/s 7.3.5.1 Mơ hình hệ thống VLC Vì LED đƣợc sử dụng cho đề xuất kép bao gồm chiếu sáng truyền thông, cần xác định cƣờng độ phát sáng công suất phát Cƣờng độ ánh sáng đƣợc sử dụng để biểu thị độ sáng đèn LED; công suất phát cho thấy tổng lƣợng xạ từ đén LED Cƣờng độ ánh sáng thông lƣợng ánh sáng góc xạ đƣợc xác định theo I d d (7.61) 293 với  thông lƣợng ánh sáng,  góc phân tập  đƣợc xác định từ thông lƣợng lƣơng e 780   K m  V   e  d (7.62) 380 V() đƣờng cong độ sáng tiêu chuẩn, Km khả nhìn thấy tối đa,  683 Im/W bƣớc sóng 555 nm Cơng suất phát đƣợc xác đinh theo: Pt  K m  max 2   e d d (7.63)  min max đƣợc xác định từ đƣờng cong độ nhạy quang photodiode PT IT Hình 7.31 mơ tả mơi trƣờng văn phịng điển hình Hình 7.31 Bức xạ VLED Giả sử đèn LED có mơ hình xạ Lambertian, cƣờng độ xạ bề mặt bàn đƣợc xác định I   I 0 cosml  (7.64)  góc chiếu xạ hợp với trục chuẩn bề mặt máy phát, I(0) cƣờng độ ánh sáng trung tâm ml bậc phát xạ Lambertian, đƣợc xác định theo 294 ml  ln 2  ln cos  /  (7.65) Với 1/2 góc xạ nửa công suất LED Độ chiếu sáng/cƣờng độ theo phƣơng ngang điểm (x,y) công suất thu máy thu đƣợc xác định theo I hor  I 0 cos ml  / d cos  p r  Pt (7.66) m  1 cosm T  g   cos , s l 2d (7.67)      góc chiếu xạ hợp với trục chuẩn bề mặt máy thu, Ts() lọc phát, g() con tƣơng ứng độ khuếch đại tập trung FOV d khoảng cách IT VLED bề mặt máy dò Độ khuếch đại tập trung quang máy thu đƣợc định nghĩa PT  n2 ,  g     sin   0,        (7.68) n số chiết suất Hiện nay, hầu hết nỗ lực nghiên cứu VLC dựa hệ thống đơn nguồn Hình 7.32a sơ đồ mạch dàn LED phân bố (hoặc đa nguồn) cho ứng dụng nhà Ở đây, đèn LED đơn đƣợc xem nhƣ nguồn ánh sáng mơ hình xạ đèn LED đƣợc xem nhƣ hàm góc xạ không gian ba chiều với vết xạ đƣợc xác định rõ Khi tất LED đƣợc bật, phân bố độ sáng đƣợc tạo mức sàn đƣợc gọi mơ hình chiếu sáng bản, đƣợc gọi góc xạ  f ALED  x, y; d   f   x  y2  d   (7.69) Các hệ thống dàn LED đa nguồn phân tán có tính thực tiến hai lý do: (i) hấu hết phòng sử dụng nhiều nguồn sáng để đảm bảo chiếu sáng đầy đủ (ii) cung cấp 295 phân tập khơng gian, tránh bị chặn Tuy nhiên, với đƣờng truyền OWC khuếch tán, nhiều nguồn bị ảnh hƣởng nhiếu giao thoa ký hiệu xảy tốc độ liệu cao Có số lựa chọn để khắc phục vấn đền Ví dụ, thay đổi cách bố trí nguồn sáng, giảm FOV máy thu, sử dụng kỹ thuật mã hóa cân nhƣ triển khai sơ đồ ghép kênh Hình 7.32b cho thấy độ sáng sử dụng máy phát với góc nửa cơng suất 70 thông lƣợng ánh sáng cựa đại 568.10 lx trung tâm Sự phân bố ánh sáng cho trƣơng hợp bốn máy phát với góc nửa cơng suất 700 đƣợc hình 7.32c, độ sáng có giá trị từ 315 đến 910 lx, giá trị trung bình 717 lx Sự phân bố cơng suất quang mặt phẳng thu đƣờng truyền LOS đƣợc hình 7.33a Có thể thấy có phân bố đồng cơng suất quang trung tâm với công suất cực đại 2,3 dBm công suất tối thiểu -2,3 dBm Tuy nhiên, phụ thuốc vào góc nửa cơng suất, phân bố công suất đồng IT đạt đƣợc Sự phân bố công suất quang mặt phẳng thu với góc nửa cơng suất 12,50 đƣợc hình 7.33b Sự khác biệt cơng suất cực đại cực tiểu lớn 35 dB, dẫn đến SNR cao số khu vực có vùng chết nhiều khu vực Để làm PT cho việc phân bố công suất đồng đều, ta sử dụng đèn khuếch tán chiều Hình 7.32 (a) Dàn LED phân bố ánh sáng cho (b) máy phát (c) bốn máy phát 296 Đã có số nghiên cứu để mơ hình hóa xác kênh trun thơng ánh sáng nhìn thấy nhà Hình 7.34 mơ tả mơ hình hóa kênh VLC sử dụng điều chế IM/DD Kênh ánh sáng đƣợc mơ hình hóa kênh quang AWGN tuyến tính I p t   RPi t   ht   nt  (7.70) Trong Pt(t) cơng suất phát tức thời, h(t) đáp ứng xung kênh, n(t) tạp âm PT IT cộng Hình 7.33 Sự phân bố cơng suất quang mặt phẳng thu với FWHM (a) 700 (b) 12,50 297 HÌnh 7.34 Mơ hình hóa kênh VLC với điều chế IM/DD Công suất phát trung bình Pt đƣợc xác định T Pt  lim  Pi t dt T  T Pi t   (7.71) Cơng suất thu trung bình Pr = H(0)Pt, H(0) độ lợi kênh DC Mặc dù mặt ngun lý, mơ hình kênh tƣơng tự nhƣ mơ hình hồng ngoại đƣợc sử dụng chƣơng 4, độ phản xạ bề mặt khác dẫn đến trải trễ nhiễu giao thoa ký hiệu khác Sự phản xạ tƣờng phụ thuộc vào bƣớc sóng IT vật liệu đƣợc sử dụng làm tƣờng Mặc dù phản xạ xảy từ gƣơng vật bóng khác, hầu hết phản xạ thƣờng có tính khuếch tán, hầu hết đƣợc mơ theo Lambertian Một nghiên cứu Kwonhyung công PT cho thấy độ phản xạ phụ thuộc vào bƣớc sóng nhƣ kết cấu vật phản xạ Hình 7.35 PSD đƣợc so sánh với phản xạ phổ đo đƣợc tƣờng thạch cao, sàn nhà trần nhà Tuy nhiên, độ phản xạ bề mặt ánh sáng nhìn thấy nhìn chung nhỏ so với hồng ngoại Tƣờng thạch cao có độ phản xạ cao nhất, sau sàn nhà trần 298 nhà Xét phản xạ từ tƣờng, công suất thu đƣợc xác định theo độ lợi kênh DC đƣờng trực tiếp Hd(0) đƣờng phản xạ Href(0)   Pt    Pi t H d 0   Pi dH ref 0   Re flection (7.72) Độ lợi kênh DC đƣờng phản xạ đƣợc xác định  Ar ml  1 dAwall cos ml  r  cos ir  cos  ir Ts  g   cos  r ,  H ref 0   2d d 2  0,  (7.72)   c  r  c IT Trong d1 khoảng cách chip LED điểm phản xạ, d2 khoảng cách điểm phản xạ bề mặt thu,  hệ số phản xạ, dAwall vùng phản xạ vùng nhỏ, r góc chiếu xạ tới điểm phản xạ, ir ir tƣơng ứng góc chiếu xạ tới điểm PT phản xạ máy thu ; r góc tỉ lệ từ bề mặt phản xạ (hình 7.36) Hình 7.36: Mơ hình truyền sóng đƣờng truyền khuếch tán Hình 7.37 cho thấy phân bố Pr bao gồm ảnh hƣởng phản xạ Nhƣ hình, cơng suất thu phịng từ -2,8 dBm đến 4,2 dBm Cơng suất 299 trung bình thu đƣợc bao gồm đƣờng phản xạ lớn cơng suất trung bình thu đƣợc từ đƣờng trực tiếp khoảng 0,5 dBm Hình 7.37 Sự phân bố cơng suất thu có phản xạ IT 7.3.5.2 Tỉ số tín hiệu tạp âm SNR SNR điện đƣợc xác định theo đáp ứng tách quang R, công suất thu PT phƣơng sai nhiễu nhƣ sau SNR  RPr 2 2  shot   thermal (7.73) Phƣơng sai nhiễu nổ nhiễu nhiệt đƣợc xác định theo  shot  2qRPt B  2qI B I B  thermal 8Tk 16 Tk  2  C pd AI B  C pd A I B G ol gm (7.74) Trong băng thơng lọc điện B (Hz),  số Boltzmann, IB dòng điện xạ nền, Tk nhiệt độ tuyệt đối, Gol khuếch đại điện áp vịng hở, Cpd điện dung ccó định táhc quang đơn vị diện tích,  hệ số tạp âm kênh FET, gm bán dẫn FET, hệ số băng thông nhiễu I2 = 0,562 I3 = 0,0868 Xét trƣờng hợp truyền đa đƣờng có ISI, cơng suất thu mong muốn tín hiệu ISI đƣợc xác định theo 300 N LED      hl t   xt dt   i 1 T Pr  sig  (7.75)   Pr isi     hl t   xt dt  T  i 1 N LED Phƣơng sai nhiễu nổ đƣợc xác định theo:  shot  m  2qRPr  s  Pr isi B  2qI B I B (7.76) 2  Total  m   shot  m   thermal Với điều chế OOK, BER = Q((SNR)1/2) IT Lƣu ý: công suất quang thu tỉ lệ thuận với bình phƣơng độ thu (A2) Phƣơng sai nhiễu nổ tỉ lệ thuận với độ thu Do đó, nhiễu nổ nguồn nhiễu chính, SNR tỉ lệ thuận với độ thu Nhiễu nhiệt hàm phức A phƣơng sai nhiễu hàm phức độ thu PT 7.4 Tổng kết chƣơng Chƣơng trình bày hệ thống thông tin quang không dây đề cập tới khái niệm, ƣu nhƣợc điểm, ứng dụng mơ hình kiến trúc Hai hệ thống thơng tin quang khơng dây đƣợc trình bày chi tiết chƣơng bao gồm: hệ thống thông tin quang không dây ngồi trời FSO hệ thống thơng tin quang khơng dây nhà VLC Mơ hình hệ thống, mơ hình kênh hiệu hệ thống nêu đƣợc phân tích cụ thể chƣơng Câu hỏi chƣơng Trình bày khái niệm, ƣu điểm ứng dụng truyền thông quang không dây Trình bày mơ hình hệ thống truyền thơng quang khơng dây ngồi trời FSO Trình bày mơ hình kênh truyền thơng quang khơng dây ngồi trời FSO Trình bày mơ hình hệ thống truyền thơng quang khơng dây nhà VLC Trình bày mơ hình kênh truyền thông quang không dây nhà VLC Phân tích hiệu hệ thống FSO VLC điển hình 301 Tài liệu tham khảo chƣơng [1] Bouchet, M El Tabach, M Wolf, D C O‟Brien, G E Faulkner, J W Walewski, S Randel et al , Hybrid wireless optics (HWO): Building the next-generation home network, 6th International Symposium on Communication Systems, Networks and Digital Signal Processing, CNSDSP, Graz, Austria, 2008, pp 283–287 [2] M A Naboulsi, H Sizun and F d Fornel, Wavelength selection for the free space optical telecommunication technology, SPIE, 5465, 168–179, 2004 [3] J K Kim and E F Schubert, Transcending the replacement paradigm of solidstate lighting, Optics Express, 16, 21835–21842, 2008 [4] W Binbin, B Marchant and M Kavehrad, Dispersion analysis of 55 μm [5] IT freespace optical communications through a heavy fog medium, IEEE Global Telecommunications Conference, Washington, USA, 2007, pp 527–531 V Kvicera, M Grabner and J Vasicek, Assessing availability performances of free space optical links from airport visibility data, 7th International [6] PT Symposium on Communication Systems Networks and Digital Signal Processing (CSNDSP), Newcastle upon Tyne, UK, 2010, pp 562–565 G J Foschini, Layered space-time architecture for wireless communication in a fading environment when using multi-element antennas, Bell Labs Technical Journal, 1, 41–59, 1996 [7] T Komine and M Nakagawa, Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights, IEEE Transactions on Consumer Electronics, 50, 100–107, 2004 [8] M Hoa Le, D O‟Brien, G Faulkner, Z Lubin, L Kyungwoo, J Daekwang, O YunJe and W Eun Tae, 100 Mb/s NRZ visible light communications using a postequalized white LED, IEEE Photonics Technology Letters, 21, 1063–1065, 2009 [9] T Komine and M Nakagawa, Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights, IEEE Transactions on Consumer Electronics, 50, 100–107, 2004 302 [10] H Elgala, R Mesleh, H Haas and B Pricope, OFDM visible light wireless communication based on white LEDs, IEEE 65th Vehicular Technology Conference, Dublin, Ireland, 2007, pp 2185–2189 [11] F R Gfeller and U Bapst, Wireless in-house data communication via diffuse infrared radiation, Proceedings of the IEEE, 67, 1474–1486, 1979 [12] D O‟Brien, L Zeng, H Le-Minh, G Faulkner, O Bouchet, S Randel, J Walewski et al , Visible light communication, Short-Range Wireless Communications: Emerging Technologies and Applications, R Kraemer and M Katz, Eds , New Jersey, USA: Wiley Publishing, 2009 [13] M Hoa Le, D O‟Brien, G Faulkner, Z Lubin, L Kyungwoo, J Daekwang and O YunJe, High-speed visible light communications using multiple-resonant equalization, IEEE Photonics Technology Letters, 20, 1243–1245, 2008 [14] A Prokes, Atmospheric effects on availability of free space optics systems, [15] 48, 066001-10, 2009 494 Optical Wireless IT Optical Engineering, Communications S Randel, F Breyer, S C J Lee and J W Walewski, Advanced modulation schemes for short-range optical communications, IEEE Journal of Selected [16] PT Topics in Quantum Electronics, 16, 1280–1289, 2010 Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation, Geneva, Switzerland: World Meteorological Organisation, 2006 [17] M Grabner and V Kvicera, On the relation between atmospheric visibility and optical wave attenuation, 16th IST Mobile and Wireless Communications Summit, Budapest, Hungary, 2007, pp 1–5 [18] J A C Bingham, Multicarrier modulation for data transmission: An idea whose time has come, IEEE Communications Magazine, pp 5–14, 1990 [19] J Vucic, C Kottke, S Nerreter, A Buttner, K D Langer and J W Walewski, White light wireless transmission at 200+ Mb/s net data rate by use of discretemultitone modulation, IEEE Photonics Technology Letters, 21, 1511–1513, 2009 [20] M Grabner and V Kvicera, Case study of fog attenuation on 830 and 1550 nm freespace optical links, Proceedings of the Fourth European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Barcelona, Spain, 2010, pp 1–4 303 [21] D P Greenwood, Bandwidth specification for adaptive optics systems, Journal of Optical Soceity of America, 67, 390–393, 1977 [22] M A Al-Habash, L C Andrews and R L Phillips, Mathematical model for the irradiance probability density function of a laser beam propagating through turbulent media, Optical Engineering, 40, 1554–1562, 2001 [23] S Rajbhandari, Z Ghassemlooy, J Perez, H Le Minh, M Ijaz, E Leitgeb, G Kandus and V Kvicera, On the study of the FSO link performance under controlled turbulence and fog atmospheric conditions, Proceedings of the 2011 11th International Conference on Telecommunications (ConTEL), 2011, pp 223–226 [24] S Rajbhandari, Application of wavelets and artificial neural network for indoor optical wireless communication systems, PhD thesis, Northumbria University, Newcastle upon Tyne, UK, 2010 F Nadeem, V Kvicera, M S Awan, E Leitgeb, S Muhammad and G Kandus, Weather effects on hybrid FSO/RF communication link, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 27, 1687–1697, 2009 [26] M Abramowitz and I S Stegun, Handbook of Mathematical Functions with IT [25] [27] PT Formulas, Graphs and Mathematical Tables, New York: Dover, 1977 R Barakat, Sums of independent lognormally distributed random variables, Journal of the Optical Society of America, 66, 211–216, 1976 [28] S M Haas and J H Shapiro, Capacity of wireless optical communications, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 21, 1346–1357, 2003 [29] E J Lee and V W S Chan, Part 1: Optical communication over the clear turbulent atmospheric channel using diversity, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 22, 1896–1906, 2004 304 ... vơ tuyến nói chung mạng di động nói riêng tƣơng lai, cần có thay đổi mạnh mẽ thiết kế kiến trúc mạng nhƣ công nghệ xử lý truyền dẫn tín hiệu băng rộng Bài giảng “Các công nghệ vô tuyến băng rộng? ??... cho sinh viên kiến thức số công nghệ vô tuyến băng rộng hứa hẹn ứng dụng hệ thống thông tin di động hệ sau nhƣ: thông tin vô tuyến chuyển tiếp hợp tác; công nghệ vô tuyến khả tri; hệ thống thông... 160 CHƢƠNG CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN KHẢ TRI 162 5.1 Giới thiệu vô tuyến khả tri 162 PT 5.2 Kiến trúc hệ thống vô tuyến khả tri 163 5.3 Đặc điểm vô tuyến khả tri