Nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã trong truyền thông quang không dây (tt)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - NGUYỄN VĂN TIẾN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ TRONG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2012 Luận văn hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: Ts Đặng Thế Ngọc Phản biện 1: Ts Hoàng Ứng Huyền Phản biện 2: Ts Nguyễn Ngọc Minh Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: 00 ngày 20 tháng 01 năm 2013 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU Truyền thông quang không dây (FSO) công nghệ truyền dẫn tín hiệu quang qua mơi trường vơ tuyến (khơng gian tự do) Trong năm gần đây, truyền thông quang không dây xem giải pháp hứa hẹn thay cho kết nối vô tuyến băng rộng nhờ ưu điểm mà có bao gồm: tốc độ cao; chi phí hiệu quả; khơng yêu cầu cấp phép tần số; triển khai nhanh linh hoạt Nhằm triển khai kỹ thuật FSO mạng truy nhập, việc nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) truyền thông quang không dây thu hút nhiều quan tâm nghiên cứu Hệ thống CDMA quang không dây (FSO/CDMA) hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã quang sử dụng phương thức truyền sóng ánh sáng qua khơng gian tự để kết nối thiết bị phát thu Đa truy nhập thực cách gán chuỗi mã khác cho người dùng khác Nhờ đó, hệ thống CDMA quang khơng dây có hiệu sử dụng tài nguyên cao, khả truy nhập không đồng khả an ninh cao Tuy nhiên, bên cạnh ưu điểm, hệ thống CDMA quang không dây gặp phải thách thức cần phải vượt qua ảnh hưởng mạnh tạp âm, nhiễu yếu tố tác động môi trường truyền lan không gian mưa, sương mù, khói, bụi, tuyết… đặc biệt nhiễu loạn khơng khí Do đó, việc tiến hành nghiên cứu phân tích hiệu hệ thống CDMA quang khơng dây nhằm đánh giá khả triển khai giải pháp CDMA truyền thông quang không dây cần thiết Mục đích nghiên cứu luận văn nhằm đưa giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã quang truyền thông quang không dây Kết cụ thể nghiên cứu đưa mơ hình hệ thống FSO/CDMA phân tích hiệu hệ thống FSO ảnh hưởng loại nhiễu nhiễu loạn khơng khí Chương TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY FSO Chương tập trung giới thiệu khái quát công nghệ truyền thông quang không dây FSO, đặc điểm hệ thống mơ hình hệ thống FSO Các thách thức ứng dụng hệ thống FSO đề cập 1.1 Giới thiệu FSO (hay truyền thông quang không dây) công nghệ viễn thông sử dụng truyền lan ánh sáng khơng gian để truyền tín hiệu hai điểm [18] Đây công nghệ truyền thơng băng rộng tầm nhìn thẳng, tín hiệu quang, thay truyền sợi quang, phát búp sóng quang qua khơng gian Một mạng truyền thông quang không dây bao gồm thu-phát quang (gồm khối thu khối phát) cung cấp khả thông tin hai chiều Mỗi khối phát quang sử dụng nguồn quang thấu kính để phát tín hiệu quang qua khơng gian tới khối thu Tại phía thu, thấu kính khác sử dụng để thu tín hiệu, thấu kính nối với khối thu có độ nhạy cao qua sợi quang Một tuyến FSO bao gồm hai thu-phát đặt tầm nhìn thẳng Thơng thường, thu phát gắn tịa nhà sau cửa sổ (Hình 1.1) Cự ly hoạt động tuyến FSO từ vài trăm mét tới vài km Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống FSO thơng thường Các đặc điểm hệ thống FSO sau: Băng thơng điều chế rộng; Búp sóng hẹp; Không yêu cầu cấp phép phổ tần; Rẻ; Triển khai nhanh chóng; Phụ thuộc vào thời tiết Ngồi điểm trên, đặc điểm khác FSO bao gồm: Lợi ích từ truyền thông sợi quang tại; không bị ảnh hưởng nhiễu điện từ; không giống hệ thống có dây, FSO hệ thống khơng cố định thu hồi tài sản; phát xạ phải nằm giới hạn an toàn quy định; trọng lượng nhẹ nhỏ gọn; tiêu thụ điện thấp; yêu cầu tầm nhìn thẳng liên kết chặt chẽ kết việc búp sóng hẹp 1.2 Mơ hình hệ thống FSO Sơ đồ khổi tuyến FSO điển hình thể hình 1.2 Giống công nghệ truyền thông nào, hệ thống FSO gồm ba phần: Bộ phát, kênh truyền thu Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống FSO 1.2.1 Bộ phát Phần tử có nhiệm vụ điều chế liệu gốc thành tín hiệu quang sau truyền qua khơng gian tới thu Phương thức điều chế sử dụng rộng rãi phát điều chế cường độ (IM), cường độ phát xạ nguồn quang điều chế số liệu cần truyền Việc điều chế thực thông qua việc thay đổi trực tiếp cường độ nguồn quang phát thơng qua điều chế ngồi giao thoa MZI Việc sử dụng điều chế nhằm đảm bảo tốc độ liệu đạt cao so với điều chế trực tiếp Các thuộc tính khác trường xạ quang pha, tần số trạng thái phân cực sử dụng để điều chế với với liệu/thông tin thơng qua việc sử dụng điều chế ngồi 1.2.2 Bộ thu Bộ thu hỗ trợ việc khôi phục liệu phát từ phía phát Bộ thu bao gồm thành phần sau: a) Bộ thu tín hiệu quang – tập hợp tập trung phát xạ quang tới tách sóng quang Khẩu độ (độ mở) thu lớn giúp tập hợp nhiều phát xạ quang vào tách sóng quang b) Bộ lọc thông dải quang – lọc thông dải làm giảm lượng xạ c) Bộ tách sóng quang – PIN APD chuyển đổi trường quang đến thành tín hiệu điện Các tách sóng quang thường dùng hệ thống truyền thông quang tóm tắt bảng 1.2 d) Mạch xử lý tín hiệu – có chức khuếch đại, lọc xử lý tín hiệu để đảm bảo tính xác cao liệu khơi phục 1.2.3 Kênh vô tuyến Kênh truyền dẫn quang khác so với kênh nhiễu Gauss thơng thường, tín hiệu đầu vào kênh, x(t), thể công suất biên độ Điều dẫn tới hai điều kiện ràng buộc tín hiệu truyền: i) x(t) phải khơng âm ii) giá trị trung bình x(t) khơng vượt giá trị quy định  max  lim T  2T T  x  t dt, (1.1) T 1.2.3.1 Tổn thất công suất Khi xạ quang qua bầu khí quyển, vài photon bị biến (hấp thụ) thành phần nước, khí CO2, sương mù, tầng Ozone… lượng chuyển thành nhiệt thành phần khác qua khơng mát lượng hướng truyền lan ban đầu chúng bị thay đổi (tán xạ) lan truyền trường quang thơng qua bầu khí mơ tả định luật luật Beer – Lambert Chùm sáng bị trải rộng truyền kích thước chùm sáng nhận lớn so với kích thước thu 1.2.3.2 Tổn thất kênh truyền khơng khí a) Hấp thụ b) Tán xạ c) Ảnh hưởng nhiễu loạn khơng - Sự nhiễu loạn khơng khí phụ thuộc vào i) độ cao/áp suất khí quyển; ii) vận tốc gió; iii) khác số khúc xạ không đồng nhiệt độ Các ảnh hưởng nhiễu loạn khơng khí bao gồm: Sự lệch chùm sáng; nhẩy ảnh; mở rộng chùm sáng; nhấp nháy chùm sáng; suy giảm tính qn khơng; biến động phân d) Mơ hình nhiễu loạn khơng khí 1.3 Các thách thức hệ thống FSO Sương mù; Sự nhấp nháy; Sự trôi búp; Giữ thẳng hướng phát-thu tịa nhà dao động; Sự an tồn cho mắt 1.4 Các ứng dụng hệ thống FSO Truy nhập chặng cuối; Dự phòng tuyến sợi quang; Kết nối back-haul cho mạng tế bào; Các tuyến tạm thời/ khắc phục cố;Mạng truyền thông nhiều vùng nhỏ; Các vùng địa lý khó khăn Chương KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ QUANG Chương trình bày tổng quan phương thức đa truy nhập phân chia theo mã quang - OCDMA Khái niệm hệ thống OCDMA phân loại hệ thống OCDMA khác đề cập nội dung chương Nội dung cuối chương trình bày cấu trúc tính chất số loại mã thường sử dụng hệ thống OCDMA loại nhiễu hệ thống OCDMA 2.1 Giới thiệu OCDMA kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo mã quang, theo đó, người sử dụng cấp mã quang để truy nhập vào mạng thay khe thời gian kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) hay bước sóng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo bước sóng (WDMA) OCDMA giúp nâng cao tốc độ truyền dẫn, tăng tính linh hoạt số lượng người sử dụng tăng tính bảo mật hệ thống [20] OCDMA công nghệ tiềm cho phép thay công nghệ mạng truy nhập quang Trong chương này, xem xét công nghệ truy nhập sử dụng mạng quang, đặc biệt mạng truy nhập quang thụ động (PON) Tiếp theo, tìm hiểu kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (OCDMA), cách phân loại hệ thống OCDMA loại mã hay sử dụng hệ thống CDMA quang Cuối cùng, sơ đồ nguyên lý hệ thống OCDMA tiêu biểu, 2-D λ-t OCDMA giới thiệu 2.2 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã quang Trong OCDMA, tài nguyên mạng chia sẻ người sử dụng cách gán cho người mã thay khe thời gian TDMA bước sóng WDMA Do đó, người dùng có khả tiếp cận tài nguyên bước sóng, lúc, thể hình 2.1 OCDMA thực ghép kênh chuyển mạch xen/rẽ tín hiệu đa kênh qua mạng đường trục mạng đô thị (MAN), kết hợp TDM WDM thơng qua mã hóa giải mã tín hiệu quang trực tiếp Bước sóng, λ Người sử dụng Người sử dụng Người sử dụng Thời gian, t Mã, C Hình 2.1: Chia sẻ tài nguyên dựa kỹ thuật OCDM 2.3 Các hệ thống CDMA quang Nếu phân loại dựa vào khác biệt phương pháp mã hóa tín hiệu quang, ta chia thành ba loại hệ thống OCDMA: - Hệ thống OCDMA mã hóa miền thời gian, bao gồm hệ thống trải phổ truyền thống hệ thống mã hóa pha theo thời gian - Hệ thống OCDMA mã hóa miền tần số, bao gồm bước mã hóa pha phổ (SPE) hệ thống mã hóa biên độ phổ (SEA) - Hệ thống OCDMA mã hóa lai ghép sử dụng kết hợp phương thức mã hóa nêu Ví dụ có mã hóa 2-D cách kết hợp mã hóa miền thời gian miền bước sóng, hệ thống OCDMA trải thời gian/nhảy bước sóng (WH/TS) Nếu mã hóa theo khơng gian kết hợp với thời gian bước sóng ta có mã hóa khơng gian/ thời gian/bước sóng Nếu xếp chúng theo số lượng tài nguyên (thời gian, khơng gian, bước sóng) sử dụng, ta chia thành hệ thống OCDMA 10 2.5 Nhiễu hệ thống CDMA quang 2.5.1 Nhiễu thu Hai loại nhiễu thu nhiễu lượng tử nhiễu nhiệt Hai loại nhiễu nguyên nhân gây thăng giáng dịng tách quang thu, cơng suất tín hiệu thu (Pin) không đổi Bản chất nhiễu lượng tử dòng điện tách quang tạo từ dòng chuyển động điện tử mà điện tử lại tạo cách ngẫu nhiên theo thời gian Về mặt toán học, thăng giáng dòng điện nhiễu lượng tử gây tiến tronh Poison dừng, xấp xỉ thống kê Gauss Phương sai nhiễu nhiệt biểu diễn dạng [21]  sh2  2ePin B e (2.11) e điện tích điện tử  đáp ứng tách sóng quang Be băng thông điện (nhiễu) hiệu dụng thu Giá trị thực tế Be phụ thuộc vào thiết kế thu 2.5.2 Nhiễu đa truy nhập Nhiễu đa truy nhập (MAI) nguồn nhiễu hệ thống OCDMA, nguyên nhân gây suy giảm chất lượng hệ thống Như đề cập chương 1, MAI gây người sử dụng hoạt động đồng thời mạng, xung MAI xung quang xuất đồng thời có bước sóng với xung mong muốn Mức độ ảnh hưởng MAI định hai tham số chính: (1) số lượng người dùng hoạt động mạng (2) giá trị tương quan chéo giữ chuỗi mã phân bổ cho người dùng mạng Để giảm bớt ảnh hưởng MAI, loại mã có giá trị tương quan chéo nhỏ thường sử dụng Điều đồng nghĩa với việc cần chuỗi mã có độ dài lớn, ví dụ mã nguyên tố Giải pháp thứ hai sử dụng phương thức điều chế vị trí xung PPM [5] Tuy nhiên, hai giải pháp nêu dẫn tới làm hẹp độ rộng xung quang hệ thống bị ảnh hưởng mạnh tán sắc 11 Chương HỆ THỐNG CDMA QUANG KHÔNG DÂY Chương phân tích cách tồn diện ảnh hưởng nhiễu loạn khơng khí bao gồm thăng giáng cường độ ảnh hưởng dãn xung lên hiệu hệ thống FSO/CDMA sử dụng PPM MWPPM Kết thể rẳng MPPM với M >16 không nên sử dụng u cầu gửi xung hẹp, bị ảnh hưởng mạnh dãn xung Bằng việc sử dụng MWPPM, ảnh hưởng thăng giáng cường độ dãn xung giảm nhẹ, BER hệ thống giảm Ngoài ra, nhận thấy hiệu hệ thống cải thiện đáng kể đạt BER thấp việc sử dụng APD với độ lợi khoảng từ 80 tới 100 3.1 Giới thiệu Ảnh hưởng lên hiệu hệ thống FSO nhiễu loạn khơng khí, tượng xuất kết thay đổi số khúc xạ không đồng nhiệt độ áp suất [9] Những số khơng đồng gây suy giảm chất lượng tín hiệu gây thay đổi cường độ pha tín hiệu thu Những biến động dẫn tới gia tăng xác suất lỗi bit hạn chế hiệu hệ thống FSO [10] Hơn nữa, lan truyền xung bị ảnh hưởng dãn rộng xung nhiễu loạn Hai nguyên nhân gây dãn rộng xung tán xạ tán sắc [11] Để giảm thiểu ảnh hưởng nhiễu loạn không khí, nghiên cứu hệ thống FSO/CDMA trước thường sử dụng phương thức điều chế vị trí xung (MPPM) phương pháp đạt hiệu suất cao mặt lượng [3] – [7] MPPM giúp tránh yêu cầu điều chỉnh ngưỡng thích nghi OOK Những nghiên cứu trước cho thấy bỏ qua ảnh hưởng dãn xung, MPPM hiệu việc làm giảm ảnh hưởng thăng giáng cường độ tín hiệu Tuy nhiên, để có đựoc phân tích hiệu hệ thống FSO/CDMA cách toàn diện nên đánh ảnh hưởng dãn xung Hơn nữa, ảnh hưởng dãn xung đáng kể bỏ qua hệ thống FSO truyền thông tin 12 tốc độ cao đặc biệt hệ thống FSO/CDMA sử dụng M-PPM yêu cầu gửi thông tin tốc độ chip cao (xung ngắn) qua kênh nhiễu loạn khơng khí Trong luận văn này, đề xuất sử dụng mô hình lan truyền xung Gauss để phân tích tồn diện tác động nhiễu loạn khơng khí lên hiệu hệ thống FSO/CDMA sử dụng PPM Mô hình phân tích tất ảnh hưởng nhiễu loạn khơng khí, bao gồm thay đổi cường độ tín hiệu, dãn xung suy hao truyền dẫn Ngoài ra, loại nhiễu bao gồm nhiễu nổ, nhiễu nền, nhiễu nhiệt nhiễu đa truy nhập (MAI) tính đến phân tích hiệu Hình 3.1: Các phương pháp điều chế: 4-WSK, 4-PPM 2-2-MWPPM 3.2 Mơ hình kênh FSO 3.2.1 Mơ hình kênh nhiễu loạn khơng khí Mơi trường khí khơng phải kênh truyền thơng lý tưởng Sự không đồng nhiệt độ áp suất khí dẫn tới thay đổi số khúc xạ theo tuyến truyền dẫn, mà thường gọi nhiễu loạn khơng khí Nó tạo loạt tượng suy hao lựa chọn tần số, hấp thụ, tán xạ không ổn định (nhấp nháy) Khi chùm tín hiệu quang lan truyền qua mơi trường khơng khí, cường độ tín hiệu quan sát phía thu thay đổi cách ngẫu nhiên Điều gọi nhấp nháy, nhược điểm hệ thống truyền thơng FSO 13 Rất khó để xác định hàm mật độ xác suất cho thay đổi cường độ tín hiệu theo điều kiện khí tùy ý tham số chùm tín hiệu Tuy nhiên, dựa số liệu thống kê tượng nhấp nháy, mơ hình tốn học khác đề xuất hàm Log-normal [13], phân bố Gama [14] hay Gama-Gama [15] Trong chương xem xét kịch nhiễu loạn yếu dựa mơ hình phân bố Log – normal Một biến ngẫu nhiên B có phân bố Log-normal biến ngẫu nhiên A = lnB có phân bố chuẩn (ví dụ Gauss) Do đó, biên độ độ lợi tuyến ngẫu nhiên B I, cường độ quang I = B2 phân bố hàm Log-normal trường hợp Do đó, hệ số kênh fading đặc trưng cho mơ hình kênh từ phía phát tới phía thu, cho công thức 3.1 h I  exp  X  Im (3.1) Trong Im cường độ tín hiệu ánh sáng thực tế phát khơng có nhiễu loạn; I cường độ tín hiệu ánh sáng thực tế phía thu có nhiễu loạn LogX (X: biên độ) biến ngẫu nhiên phân bố chuẩn với giá trị trung bình x phương sai x biểu diễn sau:   X   x 2 fx  X   exp    2 x2 2 x      (3.2) Để đảm bảo fading không làm suy giảm hay khuếch đại cơng suất trung bình tín hiệu, thơng thường coi hệ số fading E(h) = 1, điều địi hỏi phải lựa chọn x = - x2 Thay công thức (3.1) vào công thức (3.2), phân bố fading cường độ ánh sáng nhiễu loạn theo hàm Log-normal, mơ tả như:   ln  h   2   x  fI h  exp       8 h x x   Trong đó, x2 điều kiện nhiễu loạn yếu cho [16] (3.3) 14  x2  2   0.124      11 z Cn2 (3.4) Trong λ bước sóng z khoảng cách tuyến Cn2 viết tắt hệ số cấu trúc số khúc xạ 3.2.2 Mơ hình truyền lan xung Để có biểu thức biểu diễn dãn rộng xung ánh sáng miền thời gian xung truyền lan qua mơi trường nhiễu loạn khơng khí, giả thiết dạng sóng đầu vào xung Gauss Biên độ xung Gaussian cho bởi:  t2  Ai  t   Pp exp     T0  (3.5) Trong Pp T0 tương ứng công suất đỉnh nửa độ rộng (tại điểm 1/e) xung đầu vào Xem xét tổn thất gây hấp thụ tán xạ ánh sáng phân kì chùm sáng, biên độ xung quang vị trí đầu thu nằm khoảng cách z (km) từ phát mơ tả sau [11]:  t2  T0 A Ar  t   Pp 2 exp    z  exp     z Tb  Tb  (3.6) Trong A độ mở thu θ β tương ứng góc phân kỳ chùm tia hệ số suy hao Tb  T02  8 nửa độ rộng xung thu Tham số α cho bởi: 0.3908Cn2 zL0  c2 (3.7) Trong  tham số đặc trưng cho mức độ giãn xung xung quang truyền qua môi trường khí L0 quy mơ bên ngồi nhiễu loạn c vận tốc ánh sáng, z (m) khoảng cách tuyến 15 3.3 Điều chế vị trí xung đa bước sóng Như đề cập phần 3.1, L-M-PPM kết hợp L-WSK MPPM, L số bước sóng M số mức điều chế PPM Trong kỹ thuật điều chế này, khối b = log2N bit số liệu ánh xạ vào số N ký hiệu (s0, s1, …, sN-1) Trong khối b bit, log2L bit sử dụng cho WSK, bit lại (log2M bit) sử dụng cho PPM minh họa hình 3.2 Khoảng thời gian ký hiệu (Tw) chia thành M khe thời gian Tùy thuộc vào ký hiệu phát, xung quang phát số M khe thời gian khe thời gian lại bỏ trống Đồng thời, xung quang chiếm số L bước sóng Kết là, nhờ sử dụng L bước sóng cho M-PPM, kích thước khơng gian tín hiệu tăng L lần so với M-PPM 3.4 Hệ thống FSO/CDMA sử dụng L-M - MWPPM Hình 3.3: Hệ thống FSO/CDMA sử dụng L-M-MWPPM Hệ thống FSO/CDMA sử dụng L-M-MWPPM minh họa hình 3.3 bao gồm phát, kênh truyền thu Ở phía phát, liệu đầu vào trước tiên điều chế điều chế MWPPM Mỗi khối bit liệu b = log2N ánh xạ tới số N ký hiệu (s0, s1,…, sN-1), N = LxM = 2b Tiếp theo xung quang thể cho ký hiệu MWPPM mã hóa mã hóa OCDMA, mã hóa 16 thành chuỗi chip “0” “1” Chip “1” biểu diễn xung quang chip “0” tương đương với việc khơng có xung quang phát Số lượng chip có chuỗi mã độ dài từ mã tạo tạo mã Giả sử xung quang đại diện cho chip “1” xung Gauss có biên độ thể cơng thức 3.5, cơng suất đỉnh xung Pp tính sau: Pp  2Ts Pc  T0 (3.8) Trong đó, Pc cơng suất phát trung bình chip Chi tiết cơng thức 3.8 thể phụ lục Với tốc độ bit số liệu Rb, độ rộng ký hiệu tính sau: Tw = log2 N/Rb, độ rộng khe thời gian Ts = Tw/M Với F chip phát khe thời gian, độ rộng chip thể Tc = Tw/F Với T0 = Tc/(4ln2) [11], độ rộng nửa xung (T0) biểu diễn sau: log N T0  Rb MF 4ln (3.9) Hệ thống FSO/CDMA chịu ảnh hưởng nhiễu đa truy nhập (MAI), nguồn nhiễu gây suy giảm chất lượng hệ thống MAI gây người sử dụng hoạt động đồng thời mạng, xung MAI xung quang xuất đồng thời có bước sóng với xung mong muốn Mức độ ảnh hưởng MAI định hai tham số chính: (1) số lượng người dùng hoạt động mạng (2) giá trị tương quan chéo giữ chuỗi mã phân bổ cho người dùng mạng Hệ thống FSO/CDMA gồm có K người dùng, tham số hi đặc trưng cho hệ số truyền đạt kênh vơ tuyến (kênh fading) cơng suất tín hiệu phát nhân với hàm truyền đạt kênh Hàm truyền đạt biến ngẫu nhiên gây thăng giáng cường độ tín nhiệu 17 Để giảm bớt ảnh hưởng MAI, loại mã có giá trị tương quan chéo nhỏ thường sử dụng Điều đồng nghĩa với việc cần chuỗi mã có độ dài lớn, ví dụ mã nguyên tố Giải pháp thứ hai sử dụng phương thức điều chế vị trí xung PPM Tuy nhiên, hai giải pháp nêu dẫn tới làm hẹp độ rộng xung quang hệ thống bị ảnh hưởng mạnh tán sắc Do hệ thống hệ thống FSO/CDMA đề xuất sử dụng phương pháp điều chế vị trí xung đa bước sóng L-M-MPPM, việc sử dụng phương pháp ảnh hưởng việc thăng giáng cường độ giãn xung giảm nhẹ Tại thu, tín hiệu phát từ K người sử dụng khác kết hợp lại cộng sau đưa tới giải mã OCDMA Bộ giải mã điều khiển tạo mã Các tín hiệu thu khơng bao gồm tín hiệu từ phát mong muốn mà cịn có tín hiệu từ phát gây nhiễu, nhiễu nhiễu đa truy nhập (MAI) Tiếp theo, APD chuyển tín hiệu quang thu sang dạng tín hiệu điện Dịng tách quang tỷ lệ thuận với cường độ tín hiệu thu thu đáp ứng R (A/W) Cuối cùng, giải điều chế MWPPM, tập hợp dòng quang điện N đầu vào giải điều chế, tương ứng với N ký hiệu, so sánh với Đầu vào với dòng điện cao lựa chọn để định ký hiệu phát từ liệu nhị phân khơi phục 3.5 Phân tích hiệu hệ thống FSO/CDMA Trong phần này, trình bày phương pháp để tính tốn tỷ lệ lỗi bit (BER) hệ thống FSO/CDMA sử dụng L-M-MWPPM APD Cần ý M-PPM trường hợp đặc biệt L-M-MWPPM với L = Với Pe giá trị xác suất lỗi ký hiệu, tỷ lệ lỗi bit hệ thống tính sau: BER  M Pe  M  1 (3.10) Chúng ta giả thiết liệu truyền đủ lớn để ký hiệu có xác suất truyền Khơng tính tổng qt, giả sử ký hiệu s0 truyền Xác suất lỗi ký hiệu tức thời trường hợp hệ thống có K người sử dụng mô tả [7] 18 M 1 M 1  Pe   Pr I  I u s  s0    M  1  Pr k1  l1  Pr I  I1 s  s0 , k1  l1 u 1 (3.11) l1 1 Trong đó, s ký hiệu phát, k1 tổng số xung gây nhiễu tới ký hiệu s1 I0 I1 dòng tách quang đại diện tương ứng cho s0 s1 Các xung gây nhiễu xung từ người sử dụng gây nhiễu có vị trí trùng với chip “1” từ mã thu Do k1 mơ hình hóa biến nhị phân ngẫu nhiên với xác suất λc/F, λc tương quan chéo hai từ mã người sử dụng Do đó, thành phần thứ cơng thức 3.11 tính sau: l  K    c   c  Pr k 1  l1      1   l F   F     N 1 l1 (3.12) Thành phần thứ hai cơng thức 3.11 tính tốn sau: (3.13) Trong Q(.) hàm Q µI0, σ2I0, µI1 σ2I1 giá trị trung bình phương sai tương ứng I0 I1 Trong e điện tích điện tử; kB số Boltzmann; T nhiệt độ tuyệt đối; RL điện trở tải R g tương ứng độ nhạy độ lợi trung bình APD Hd hk biểu thị hệ số kênh fading người sử dụng mong muốn người sử dụng gây nhiễu thứ k w trọng lượng mã Pb thể công suất quang ∆f = Be/2 độ rộng băng thông nhiễu hiệu dụng với Be = MRb/log2N Fa hệ số nhiễu dư APD cho bởi:  1 Fa   g     1    , g  (3.14) 19 Trong ζ biểu thị hệ số ion hóa Cuối cùng, Pc(b), cơng suất trung bình chip xem xét ảnh hưởng dãn xung tổn thất cơng suất, tính tốn sau: b Pc  Tc Tc /  Ar  t  dt (3.15)  Tc /2 3.6 Kết khảo sát BER, nhận xét đánh giá Trong phần này, khảo sát tỉ lệ lỗi bit (BER) hệ thống FSO/CDMA sử dụng MWPPM thu APD Để có so sánh cơng với hệ thống khác, phân tích xem xét sở cơng suất phát trung bình bit ký hiệu Ps Mối quan hệ Pc Ps đưa Pc = M(log2N)Ps/w Chúng ta sử dụng mã nguyên tố (prime code) cho hệ thống FSO/CDMA loại mã đơn giản sử dụng rộng rãi hệ thống CDMA quang Mỗi từ mã tổ hợp mã, cấu trúc từ mộ số nguyên tố (ps), có độ dài từ mã F = ps2, trọng lượng từ mã w = ps, tương quan chéo hai mã λc = [17] Hình 3.4 thể BER hệ thống FSO/CDMA sử dụng M-PPM LM-MWPPM theo công suất phát bit z = km, K = 32 người sử dụng Rb = Gbps Các kết nghiên cứu trước rằng, BER giảm mức điều chế M-PPM tăng, nhiên điều khơng phải hồn tồn hệ thống FSO/CDMA sử dụng M-PPM Thực tế, thể hình 3.2, BER giảm M tăng từ lên Việc sử dụng 16-PPM 32-PPM không giúp cải thiện hiệu hệ thống BER hệ thống FSO/CDMA sử dụng 32-PPM chí cịn xấu sử dụng 8-PPM Điều hệ thống sử dụng 32-PPM có tốc độ chip cao ảnh hưởng dãn xung mạnh so với ảnh hưởng thăng giáng cường độ tín hiệu Hạn chế M-PPM khắc phục cách sử dụng L-MMWPPM có khả làm giảm đồng thời ảnh hưởng thăng giáng cường độ tín hiệu ảnh hưởng dãn xung 20 Hình 3.4: BER theo cơng suất phát bit với z = km, g  60 , K = 32 Rb = Gbps Hình 3.5 thể mối quan hệ BER khoảng cách tuyến Ps = dBm, g  60 K = 32 người sử dụng Mức điều chế cố định 16 thay đổi số lượng bước sóng MWPPM Kết cho thấy, khoảng cách tuyến tăng lên số lượng bước sóng tăng, hay số lượng vị trí xung giảm Điều thể công thức 3.17, giảm số lượng vị trí xung (M) giúp làm tăng độ rộng xung ảnh hưởng dãn xung tín hiệu Hình 3.5: BER theo khoảng cách tuyến z với Ps = dBm, g  60 , K = 32, Rb = Gbps 21 Tiếp theo, hình 3.6, BER khảo sát theo tốc độ bit người dùng với z = km, K = 32 người dùng Ps = dBm Chúng ta quan sát ảnh hưởng nhiễu loạn khơng khí ( Cn2 ) đến tốc độ bit người dùng Khi Cn2 tăng, tốc độ bit giảm Ngoài ra, kết cho thấy, hệ thống FSO/CDMA sử dụng L-MMWPPM hỗ trợ tốc độ bít người dùng cao so với việc sử dụng M-PPM Cụ thể, Cn2 = 10-14, tốc độ bit người dùng hệ thống FSO/CDMA sử dụng 16PPM hỗ trợ (tại mức BER = 10-6) khoảng 1.35 Gbps Bằng việc sử dụng 4-4-MWPPM, tốc độ bit người dùng tăng gấp đôi lên tới 2.7 Gbps Khi -6 Cn2   1014 , Rb (tại mức BER = 10 ) hệ thống sử dụng 16-PPM rớt xuống Gbps, đó, Rb cao Gbps hệ thống sử dụng 4-4MWPPM Hình 3.6: BER theo tốc độ bit người dùng với Ps = dBm, g  60 , z = km, K = 32 Cuối cùng, hình 3.7 thể BER người dùng so với độ lợi APD trung bình với Ps = dBm Có thể thấy BER hệ thống FSO/CDMA sử dụng APD giảm đáng kể so với hệ thống không sử dụng APD ( g  ) Hệ thống đạt BER nhỏ độ lợi APD nằm khoảng 80 tới 100 Khi độ lợi APD lớn 22 100, nhiễu nổ APD trở nên ảnh hưởng mạnh, hiệu hệ thống bị giảm, BER tăng Hình 3.7: BER theo độ lợi trung bình APD ( g ) với Ps = dBm, z = 2km, K = 32, Rb = Gbps 23 KẾT LUẬN Hệ thống CDMA quang không dây (FSO/CDMA) hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã quang sử dụng phương thức truyền sóng ánh sáng qua khơng gian tự (FSO) để kết nối thiết bị phát thu Trong năm gần đây, hệ thống FSO/CDMA thu hút nhiều quan tâm nghiên cứu ưu điểm mà công nghệ FSO CDMA quang đem lại Tuy nhiên, bên cạnh ưu điểm, hệ thống FSO/CDMA gặp phải thách thức cần phải vượt qua ảnh hưởng mạnh tạp âm, nhiễu yếu tố tác động môi trường truyền lan không gian mưa, sương mù, khói, bụi, tuyết… đặc biệt nhiễu loạn khơng khí Những yếu tố nêu làm suy giảm mạnh mẽ hiệu hệ thống FSO/CDMA Trong phạm vi luận văn, luận văn tập trung trình bày đặc điểm sau:  Trình bày tổng quan cơng nghệ truyền thơng quang khơng dây  Trình bày tổng quan kỹ đa truy nhập phân chia theo mã quang  Nghiên cứu ảnh hưởng môi trường truyền dẫn nhiễu phía thu lên hiệu hệ thống CDMA quang khơng dây (FSO/CDMA) Đóng góp luận văn đưa mơ hình hệ thống FSO/CDMA phương thức phân tích hiệu hệ thống FSO/CDMA theo tham số ảnh hưởng loại nhiễu, tạp âm nhiễu loạn khơng khí 24 KIẾN NGHỊ CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Trên sở kết khảo sát đánh giá hiệu năng, luận văn đề xuất phương thức cải thiện hiệu hệ thống FSO/CDMA sau: Đề xuất sử dụng phương thức mã hóa CDMA, loại mã phù hợp nhằm cải thiện hiệu hệ thống FSO/CDMA Đề xuất sử dụng phương thức xử lý tín hiệu, kỹ thuật điều chế, tách tính hiệu, phân tập, mã hóa … nhằm hạn chế ảnh hưởng loại nhiễu nhiễu loạn khơng khí từ giúp cải thiện hiệu hệ thống ... nghệ truy? ??n thông quang không dây  Trình bày tổng quan kỹ đa truy nhập phân chia theo mã quang  Nghiên cứu ảnh hưởng mơi trường truy? ??n dẫn nhiễu phía thu lên hiệu hệ thống CDMA quang không dây. .. nghiên cứu phân tích hiệu hệ thống CDMA quang không dây nhằm đánh giá khả triển khai giải pháp CDMA truy? ??n thông quang không dây cần thiết Mục đích nghiên cứu luận văn nhằm đưa giải pháp đa truy. .. thơng MỞ ĐẦU Truy? ??n thông quang không dây (FSO) cơng nghệ truy? ??n dẫn tín hiệu quang qua mơi trường vô tuyến (không gian tự do) Trong năm gần đây, truy? ??n thông quang không dây xem giải pháp hứa hẹn