Mục tiêu chính của luận án này là nghiên cứu để đề xuất được giải pháp cải thiện hiệu năng cho các hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh theo tần số trực giao. Đặc điểm của hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh theo tần số trực giao là có tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình lớn, gây ra méo phi tuyến và gia tăng ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến đến tín hiệu quang truyền dẫn trong hệ thống. Mời các bạn tham khảo!
1 BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG NGƠ THỊ THU TRANG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG HỆ THỐNG OFDM QUANG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG MÃ SỐ: 9.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2021 Cơng trình hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Trung Hiếu TS Nguyễn Đức Nhân Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước hội đồng chấm luận án cấp Học viện tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG vào hồi: ,ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia Việt Nam Thư viện Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN Kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) quang đề xuất hướng nghiên cứu cho mạng truyền dẫn quang tốc độ cao không dây qua sợi nhiều năm gần Những ưu điểm vượt trội kĩ thuật OFDM kể đến nâng cao hiệu sử dụng băng tần, khả chống nhiễu giao thoa kí tự (ISI) giãn xung tạo tín hiệu OFDM quang miền số nhờ kĩ thuật DSP tốc độ cao, giúp giải thách thức tính trực giao nhạy cảm với nhiễu pha thực miền quang Kĩ thuật OFDM không đề xuất triển khai hệ thống truyền dẫn quang dung lượng lớn tách sóng coherent tách sóng trực tiếp mà cịn ứng dụng rộng rãi mạng truy nhập quang Các kết nghiên cứu thực nghiệm cho hệ thống truyền dẫn quang ứng dụng OFDM có dung lượng nhiều Tb/s, hiệu suất phổ lên tới 11 bit/s/Hz công bố kỳ vọng tốc độ truyền dẫn bước sóng đạt 100 Gbit/s vào năm 2025 Việc triển khai thương mại hoá hệ thống OFDM quang đáp ứng yêu cầu hiệu suất phổ cao cấu trúc mạng linh hoạt mạng quang tương lai hoàn toàn khả thi Thách thức lớn kĩ thuật OFDM truyền dẫn quang tỉ số cơng suất đỉnh cơng suất trung bình (PAPR) cao, dẫn đến ảnh hưởng phi tuyến trở thành giới hạn hệ thống OFDM quang Cơng suất đỉnh tín hiệu OFDM lớn gây ảnh hưởng phi tuyến phát, thu sợi quang Ngoài ra, nhiễu pha sinh thăng giáng pha ngẫu nhiên nguồn quang laser gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu hệ thống OFDM quang Vì thế, việc nghiên cứu đề xuất giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng yếu tố tác động lên hệ thống nhằm nâng cao hiệu cho hệ thống OFDM quang cần thiết Xuất phát từ phân tích trên, nghiên cứu sinh định chọn đề tài “Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu cho hệ thống OFDM quang” cho luận án Tiến sĩ 2 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu Luận án hệ thống truyền dẫn quang có ứng dụng ghép kênh theo tần số trực giao Luận án tập trung nghiên cứu phạm vi áp dụng ghép kênh theo tần số trực giao cho hệ thống truyền dẫn quang điều chế cường độ tách sóng trực tiếp, hướng đến giải pháp nhằm ứng dụng PON hệ MỤC TIÊU, NHIỆM VỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Mục tiêu luận án nghiên cứu để đề xuất giải pháp cải thiện hiệu cho hệ thống OFDM quang Các hướng nghiên cứu lựa chọn để đạt mục tiêu tìm kiếm giải pháp để giảm thiểu PAPR giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng méo hiệu ứng phi tuyến, từ cải thiện hiệu hệ thống OFDM quang Để đạt mục tiêu nêu trên, nhiệm vụ cụ thể cho trình nghiên cứu xây dựng Thứ nhất, nghiên cứu để nắm chắc, hiểu sâu sắc hệ thống OFDM quang kết nghiên cứu tiêu biểu liên quan đến vấn đề Thứ hai, đề hướng để từ xây dựng giải pháp cải thiện hiệu cho hệ thống OFDM quang Thứ ba, thực khảo sát, kiểm chứng hiệu cải thiện hiệu giải pháp xây dựng, từ chọn giải pháp có tính khả thi phù hợp Nhằm thực nhiệm vụ nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô lựa chọn tiến hành qua bước gồm nghiên cứu, phân tích tổng hợp nội dung lý thuyết OFDM quang để đánh giá hiệu hệ thống mức độ cải thiện hiệu hệ thống giải pháp đề xuất (1), mô Monte-Carlo sử dụng để kiểm chứng theo sơ đồ hệ thống tương ứng với giải pháp đề xuất (2), nhận xét, đánh giá dựa kết (3) CÁC ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN Hai giải pháp cải hiệu hiệu hệ thống OFDM quang đề xuất, hai đóng góp quan trọng Luận án Thứ đề xuất giải pháp thiểu ảnh hưởng phi tuyến miền số sử dụng nén giãn, gồm theo luật A dựa mơ hình Rapp Các giải pháp cho phép giảm PAPR tín hiệu OFDM, giúp làm giảm ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến phát sợi quang lên hiệu hệ thống Thứ hai đề xuất giải pháp cải thiện hiệu hệ thống OFDM quang trên kĩ thuật truyền ngược miền quang, cho phép giảm thiểu ảnh hưởng hiệu ứng tán sắc phi tuyến sợi, giúp cải thiện rõ rệt hiệu hệ thống IM-DD O-OFDM BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN Ngoài phần mở đầu phần kết luận, Luận án chia thành chương với nội dung cụ thể sau Chương trình bày vấn đề kĩ thuật OFDM triển khai truyền dẫn quang kết nghiên cứu tiêu biểu liên quan, từ đề xuất hướng nghiên cứu thực Luận án Mơ hình giải tích đánh giá hiệu hệ thống OFDM quang ảnh hưởng tổng thể yếu tố tác động đến từ thành phần hệ thống xây dựng chương Nội dung hai đóng góp trình bày chương chương Luận án CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 KĨ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO - OFDM Tín hiệu OFDM hồn tồn tạo khơi phục cách đơn giản nhờ IFFT FFT miền số giúp cho thu/ phát tín hiệu OFDM quang trở nên đơn giản nhiều, đồng thời giải thách thức tính trực giao nhạy cảm nhiễu pha 1.2 OFDM TRONG TRUYỀN DẪN QUANG Kĩ thuật OFDM ứng dụng nhiều hệ thống OFDM quang khác Trong phạm vi luận án này, dựa chế tổ hợp tín hiệu OFDM, hệ thống OFDM quang phân loại hình 1.1 Hệ thống OFDM quang DO-OFDM AO-OFDM IM-DD O-OFDM ACO Flip DCO ACO FM/C O-OFDM Điều chế I/Q Điều chế gián tiếp Điều chế trực tiếp DCO FM/C O-OFDM Flip Hình 1.1: Phân loại hệ thống OFDM quang 1.3 HỆ THỐNG IM-DD O-OFDM Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống IM-DD O-OFDM Giải pháp điều biến cường độ phía phát tách sóng trực tiếp phía thu sử dụng phổ biến hệ thống thơng tin quang trước đây, hệ thống IM-DD O-OFDM dễ dàng nâng cấp từ hệ thống truyền dẫn quang sẵn có Sơ đồ khối hệ thống IM-DD O-OFDM đưa hình 1.2 1.4 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG OFDM QUANG − − − − − Tỉ số cơng suất đỉnh cơng suất trung bình (PAPR) cao Nhiễu pha Suy hao Tán sắc Ảnh hưởng phi tuyến 1.5 CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 1.5.1 Các cơng trình nghiên cứu Việt Nam Tại Việt Nam kết nghiên cứu liên quan đến hệ thống OFDM quang dừng việc nghiên cứu tạo tín hiệu OFDM quang hay thực khảo sát hệ thống điều kiện kênh đơn giản 1.5.2 Các cơng trình nghiên cứu giới 1.5.2.1 Các nghiên cứu giảm ảnh hưởng phi tuyến miền quang Các giải pháp giảm ảnh hưởng phi tuyến miền quang cho phép triển khai hệ thống suốt miền quang giảm thiểu ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến sợi quang cho tất kênh bước sóng cách đồng thời Hai nhóm giải pháp điển hình đảo phổ tuyến (MSSI) truyền ngược miền quang (OBP) 1.5.2.2 Các nghiên cứu giảm ảnh hưởng phi tuyến miền điện Các giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng phi tuyến miền điện chủ yếu thực dựa thuật toán xử lý tín hiệu, hướng đến làm giảm đồng thời ảnh hưởng phi tuyến phần tử thu, phát ảnh hưởng phi tuyến sợi gây Các nhóm giải pháp điển hình gồm có giảm PAPR, truyền ngược miền điện, sử dụng xung RF-pilot, phối hợp pha số, giải pháp loại bỏ nhiễu phách tín hiệu - tín hiệu 1.5.2.3 Các giải pháp giảm ảnh hưởng phi tuyến hai miền quang, điện Giải pháp giảm ảnh hưởng phi tuyến hai miền quang điện kết hợp kĩ thuật tách sóng trực tiếp điều chế pha quang 1.5.3 Nhận xét cơng trình nghiên cứu Các giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến số điểm tồn ứng dụng cho hệ thống OFDM quang, cụ thể sau − Hạn chế giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng phi tuyến ứng dụng cho hệ thống IM-DD O-OFDM: Chưa có nhiều giải pháp miền số với đánh giá đầy đủ ứng dụng cho hệ thống IM-DD O-OFDM Các giải pháp công bố miền quang không phù hợp cho ứng dụng mạng truy nhập quang thụ động − Hạn chế giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng phi tuyến hệ thống O-OFDM WDM: vấn đề độ phức tạp giải pháp bù phi tuyến miền số ứng dụng cho hệ thống O-OFDM WDM − Hạn chế giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng phi tuyến hệ thống yêu cầu thời gian thực: Các giải pháp miền số sử dụng vi mạch DSP đặt thu, phát phải đối mặt với trả giá hiệu suất bù phi tuyến độ phức tạp tính tốn giải pháp 1.6 ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN Qua khảo sát, nghiên cứu phân tích cho thấy hệ thống OFDM quang chịu nhiều ảnh hưởng, đặc biệt ảnh hưởng phi tuyến Vì thế, trình thực luận án, nghiên cứu sinh tập trung phân tích, hướng đến đề xuất mơ hình cho phép đánh giá hiệu xác đề xuất giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng phi tuyến phù hợp để cải thiện hiệu cho hệ thống IM-DD O-OFDM 1.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương trình bày tổng hợp vấn đề lý thuyết liên quan đến luận án Những vấn đề OFDM, OFDM quang, yếu tố ảnh hưởng đến hiệu hệ thống OFDM quang (PAPR cao, ảnh hưởng phi tuyến phát/thu ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến sợi, ) phân tích Từ tổng hợp, phân tích cơng trình nghiên cứu nước hệ thống OFDM quang, nghiên cứu sinh xác định hướng nghiên cứu thực luận án CHƯƠNG 2: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG OFDM QUANG 2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Sự kết hợp kĩ thuật IM-DD O-OFDM công nghệ WDM, vượt qua ảnh hưởng tán sắc, cho phép triển khai hệ thống dung lượng lớn Đây giải pháp hứa hẹn cho mạng truy nhập quang thụ động hệ khoảng cách dài (LR-PON), thu hút nhiều quan tâm nghiên cứu Trong chương này, mơ hình giải tích đánh giá hiệu hệ thống IM-DD O-OFDM WDM ảnh hưởng đầy đủ nguồn nhiễu đến từ tất thành phần hệ thống xây dựng Từ đó, làm sở cho việc đề xuất giải pháp cải thiện hiệu hệ thống, cho phép đánh giá mức độ khả thi triển khai hệ thống thu thơng tin hữu ích thiết kế hệ thống 2.2 HỆ THỐNG O-OFDM WDM ĐIỀU BIẾN CƯỜNG ĐỘ TÁCH SÓNG TRỰC TIẾP Hệ thống IM-DD O-OFDM WDM gồm ba phần gồm có phát, sợi quang thu biểu diễn hình 2.1 Hình 2.1: Mơ hình hệ thống O-OFDM WDM điều biến cường độ tách sóng trực tiếp 2.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG LÊN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG IM-DD O-OFDM WDM 2.3.1 Các ảnh hưởng tuyến tính 2.3.1.1 Nhiễu xén Nhiễu xén phát sinh tạo tín hiệu OFDM điều chế cường độ Công suất nhiễu xén gây kênh bước sóng phía phát 𝑃!é! = 𝑄 ! !!"#$ !! ! ℎ! 𝜂!"#$ ! !! !!! − ℎ! 𝜂!"#$ ! !! !!! + !! ! −1 (2.2) Khi đó, cơng suất nhiễu xén sau photodiode phía thu có dạng sau 𝑁!é! = 𝑅𝑚𝑃!é! 𝑒 !!! ! ! (2.3) 2.3.1.2 Nhiễu ASE Cơng suất nhiễu phách gây có mặt EDFA hệ thống sau photodiode phía thu tính sau ! 𝑃!"#$ + 𝑃!" 𝐺𝑒 !!!! 𝑆!"# 𝐵! + 𝑆!"# 𝑁!"# = 4𝑅 ! !! !!! ! 𝐵! 𝑒 !!!!! (2.5) 2.3.1.3 Nhiễu tách sóng quang Cơng suất nhiễu gây thu PIN sau tách sóng quang 𝑁!" = 2𝑞𝐵! 𝑅 𝑃!" + 𝑃!"# + 𝐼! + 𝑆!! 𝐵! (2.7) 2.3.2 Các ảnh hưởng phi tuyến Nguồn nhiễu phi tuyến gây hiệu ứng XPM, SPM FWM tồn ảnh hưởng đáng kể tới hiệu hệ thống Giả thiết rằng, hiệu ứng xem độc lập với cơng suất nhiễu phi tuyến tổng gây hiệu ứng XPM, SPM FWM sau tách sóng quang 𝑁!" = 𝑁!"# + 𝑁!"# +𝑁!"# (2.9) 2.3.2.1 Nhiễu phi tuyến gây XPM Công suất nhiễu XPM kênh bước sóng, sau tách sóng quang 𝑁!"# = d!,! ≈ ! !!! ! 𝑅 ! 𝑒 !!!! ! 𝑃!"#$ 𝐺 !𝛾 ! !! ! !! !!! !! !! ! !! !!! !! !"#! (!! !"/!) ! 𝑑𝜔 !!! !! ! !! ! !!,! (2.10) tham số walk-off với số i đại diện cho k, l, m f! tần số sóng mang quang kênh bước sóng j 2.3.2.2 Nhiễu phi tuyến gây SPM Công suất nhiễu SPM kênh bước sóng, sau tách sóng quang xác định 𝑁!"# = ! !!!! !! ! ! 𝑅 ! 𝑒 !!!! ! 𝑃!"#$ 𝐺 !𝛾 ! !! 𝑠𝑖𝑛! (𝛽! 𝜔𝐿/2)𝑑𝜔 !!! (2.11) 11 suất tín hiệu bị suy giảm nhiều khoảng cách dài, khác biệt hiệu kênh trung tâm kênh biên thu hẹp Khi đó, nhiễu EDFA nhiễu thu chiếm ưu thế, hiệu hệ thống suy giảm mạnh 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương tập trung phân tích, đánh giá hiệu hệ thống IM-DD OOFDM WDM ảnh hưởng tổng thể yếu tố tác động khác đến từ phát, sợi quang thu Trên sở xây dựng mơ hình giải tích đánh giá phụ thuộc hiệu hệ thống vào yếu tố ảnh hưởng thông qua tính tốn cơng suất nhiễu tổng hệ thống Các nguồn nhiễu khác bao gồm nhiễu xén tạo tín hiệu OFDM, nhiễu ASE EDFA, nhiễu phi tuyến sợi quang nhiễu thu đóng góp vào nhiễu tổng hệ thống Kết phân tích cho thấy ảnh hưởng phi tuyến yếu tố làm giới hạn hiệu hệ thống Đây sở cho việc đề xuất giải pháp cải thiện hiệu cho hệ thống IM-DD O-OFDM chương CHƯƠNG 3: CẢI THIỆN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG OFDM QUANG SỬ DỤNG BỘ NÉN GIÃN 3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Cho đến nay, nhiều giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng phi tuyến miền số đề xuất Các giải pháp cho phép giảm ảnh hưởng phi tuyến sợi quang phần tử phát/ thu Trong đó, nhiều phương pháp kế thừa từ hệ thống truyền thơng tín hiệu điện, cải thiện hiệu hệ thống IM-DD O-OFDM cách giảm PAPR tín hiệu OFDM Tuy nhiên, giải pháp làm tăng thêm độ phức tạp phát/ thu hệ thống OFDM quang Một giải pháp khác thực nén/ giãn để giảm PAPR tín hiệu OFDM, từ giảm ảnh hưởng phi tuyến hệ thống Tuy nhiên, giải pháp đồng thời gây méo tín hiệu Hiệu cải thiện hiệu hệ thống phụ thuộc nhiều vào tham số nén giãn, cần phải 12 khảo sát cụ thể để đạt tối ưu cân giảm PAPR méo phát sinh Trong chương này, giải pháp sử dụng nén giãn dựa luật A mơ hình Rapp để cải thiện hiệu hệ thống IM-DD O-OFDM truyền qua sợi quang khoảng cách dài đề xuất Tín hiệu OFDM đưa qua nén làm giảm PAPR, làm cho dải động tín hiệu nằm gọn vùng đặc tuyến tuyến tính phần tử điều chế ADC phát, đồng thời giảm giá trị công suất quang lớn đưa vào sợi Điều cho phép giảm thiểu ảnh hưởng phi tuyến, từ đạt cải thiện hiệu hệ thống Mức độ cải thiện hiệu hệ thống IM-DD O-OFDM áp dụng nén/ giãn theo luật A dựa theo mơ hình Rapp đề xuất đánh giá thơng qua tính tốn lý thuyết kiểm chứng mơ Monte-Carlo 3.2 NÉN GIÃN TÍN HIỆU 3.2.1 Luật nén A Quá trình nén giãn tuân theo luật A, với A tham số nén, 𝑥 biên độ tức thời chuẩn hố tín hiệu đầu vào định nghĩa sau: 𝑦= 𝑥= 𝑠𝑔𝑛 𝑥 𝑠𝑔𝑛 𝑥 𝑠𝑔𝑛 𝑦 𝑠𝑔𝑛 𝑦 !! 𝑥 < !!!"# !!!" ! ! ! !!!"# ! !!!"# ! 𝑦 ≤ 𝑥 ≤1 𝑦 < ! !!!"# ! !! ! ! !!!"# ! ! (3.5) ! !!!"# ≤ 𝑦 ≤1 (3.6) Áp dụng luật A, biên độ tín hiệu lớn nén theo hàm logarithm, biên độ tín hiệu nhỏ được khuếch đại tuyến tính số A (1 + lnA) nên biên độ tín hiệu sau nén có PAPR giảm Hình 3.3 biểu diễn phân bố biên độ tín hiệu OFDM khơng nén sau nén với tham số nén Hệ số A lớn, vùng nén phi tuyến mở rộng phía giá trị biên độ nhỏ, khiến cho phân bố biên độ tín hiệu OFDM tiến dần đến phân bố Khi đó, PAPR giảm mức độ 13 méo tín hiệu OFDM tăng lên, dẫn đến giảm hiệu giải pháp bù phi tuyến Do vậy, việc lựa chọn tham số nén A cần thoả mãn hai yêu cầu giảm PAPR tối thiểu lượng méo phát sinh để đảm bảo cho phép cải thiện hiệu hệ thống Hình 3.3 Biểu đồ tín hiệu OFDM khơng nén sau nén với 256-IFFT 64-QAM (trục hồnh: biên độ tín hiệu chuẩn hố; trục tung: số lượng biên độ tín hiệu có giá trị tương ứng) 3.2.2 Nén giãn dựa mơ hình Rapp Nén đề xuất dựa mơ hình Rapp định nghĩa ℇ! 𝑦= !! ! !!"# !! !/!! (3.7) ! 𝑥= ℇ !! ! !! !/!! (3.8) !!"# với 𝑥 biên độ tức thời chuẩn hố tín hiệu đầu vào −1 ≤ 𝑥 ≤ , ℇ hệ số tỉ lệ để trì cơng suất tín hiệu trước sau nén khơng đổi, 𝑎!"# tham số mức bão hồ định đầu giới hạn đường cong nén, 𝛼 tham số độ mịn xác định độ cong đặc tuyến nén hay độ mịn chuyển tiếp từ vùng tuyến tính sang vùng bão hồ Với nén theo mơ hình Rapp, cơng suất tín hiệu sau nén tín hiệu trước nén giữ khơng đổi 𝐸 𝑠!! ! = 𝐸 𝑠! ! , biên độ lớn 14 tín hiệu sau nén lại nhỏ để giảm PAPR mơ tả hình 3.6, giúp cho PAPR giảm Hình 3.6 Dạng sóng tín hiệu OFDM trước nén sau nén 3.2.3 Cấu trúc hệ thống IM-DD O-OFDM sử dụng nén giãn Sơ đồ khối hệ thống IM-DD O-OFDM có sử dụng nén giãn đưa hình 3.8 Hình 3.8 Sơ đồ khối hệ thống IM-DD O-OFDM sử dụng nén giãn 15 3.3 HIỆU NĂNG HỆ THỐNG OFDM QUANG SỬ DỤNG BỘ NÉN GIÃN TUÂN THEO LUẬT A Hiệu hệ thống IM-DD O-OFDM với chiều dài truyền dẫn 80 km phụ thuộc vào tham số nén biểu diễn hình 3.9 Tham số nén tối ưu luật A nằm khoảng từ ÷ 2, BER hệ thống nhỏ Hình 3.9 BER phụ thuộc vào tham số nén theo luật A luật µ (chiều dài sợi L = 80km, cơng suất quang phát P0 = 13dBm) Hình 3.14 BER phụ thuộc vào công suất quang đầu vào sử dụng luật A (chiều dài sợi L = 80 km, số điều chế m = 0,57 tham số nén A = 2) 16 Hiệu BER hệ thống có sử dụng nén giãn theo luật A với A =2 cải thiện cỡ bậc độ lớn so với trường hợp không sử dụng nén giãn, cho thấy hình 2.14 3.3 HIỆU NĂNG HỆ THỐNG OFDM QUANG SỬ DỤNG BỘ NÉN GIÃN DỰA TRÊN MƠ HÌNH RAPP Hình 3.15 BER phụ thuộc vào tham số độ mịn α (chiều dài sợi L = 80 km, công suất quang đầu vào P0 = 14dBm) Với giải pháp nén đề xuất ttheo mơ hình Rapp, hiệu tốt hệ thống IM-DD O-OFDM đạt phụ thuộc hai tham số, độ mịn 𝛼 mức bão hoà 𝑎!"# biểu diễn hình 3.15 3.16 Tại mức bão hoà 𝑎!"# khác nhau, BER hệ thống nhỏ với 𝛼 khoảng ÷ 2,5 Tại giá trị 𝛼 khác nhau, BER hệ thống nhỏ với 𝑎!"# khoảng 0,9 ÷ 1,4 Kết hợp kết quả, BER tốt đạt 𝛼 = 𝑎!"# khoảng từ đến 1,2 Hiệu BER hệ thống sử dụng nén giãn theo mơ hình Rapp vùng tham số tối ưu cải thiện bậc biên độ so với trường hợp sử dụng luật A Với giải pháp đề xuất này, dải công suất quang đầu vào tối ưu cải thiện tới 12 dB so với không sử dụng nén 10 dB so với nén theo luật A hình 3.17 Đây ưu điểm lớn 17 ứng dụng hệ thống IM-DD O-OFDM cho mạng truy nhập quang thụ động hệ với khoảng cách truyền dẫn lớn Hình 3.16 BER phụ thuộc vào tham số mức bão hoà (chiều dài sợi L = 80 km, công suất quang đầu vào P0 = 14dBm) Hình 3.17 BER phụ thuộc vào cơng suất quang đầu vào sử dụng mơ hình Rapp (chiều dài sợi L = 80 km) 18 3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG Giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng phi tuyến miền số cho hệ thống IM-DD O-OFDM sử dụng nén giãn theo luật A mơ hình Rapp đề xuất chương Dựa nghiên cứu lý thuyết kiểm chứng mô phỏng, hiệu cải thiện hiệu luật nén định lượng cách cụ thể thông qua đánh giá phụ thuộc BER vào tham số hệ thống tham số nén, công suất phát quang, số điều chế công suất quang thu, từ cung cấp thơng tin hữu ích cho việc thiết kế hệ thống Giải pháp cải thiện hiệu hệ thống miền số yêu cầu thêm mạch xử lý số để thực nén giãn tín hiệu, làm tăng tải xử lý chi phí cho hệ thống Tuy nhiên, nén theo luật A mơ hình Rapp chín muồi kỹ thuật mạch điện tử nên dễ dàng cải tiến, tích hợp vào tạo tách tín hiệu OFDM hệ thống truyền dẫn quang Giải pháp đề xuất có tính khả thi cao chi phí hợp lý, phù hợp cho mạng truy nhập quang, đặc biệt với LR-PON CHƯƠNG 4: CẢI THIỆN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG OFDM QUANG DỰA TRÊN KĨ THUẬT TRUYỀN NGƯỢC TRONG MIỀN QUANG 4.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Các giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng phi tuyến miền quang công bố cho phép giảm ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến tán sắc sợi Tuy nhiên, giải pháp có nhược điểm định, chẳng hạn yêu cầu vị trị đặt MSSI tuyến truyền dẫn hay đặc tính phần tử quang chưa tối ưu Giải pháp giảm ảnh hưởng phi tuyến dựa kĩ thuật truyền ngược miền quang sử dụng phần tử quang sẵn có, chi phí thấp đặt phía phát đề xuất chương Tín hiệu quang lan truyền OBP, sau liên hợp pha trước đưa đến sợi quang truyền dẫn để tới phía thu Như vậy, OBP đề xuất đóng vai trò bù trước miền quang, nhờ đó, tăng cường linh hoạt ứng 19 dụng giải pháp nhiều kiểu mạng quang khác Mức độ cải thiện hiệu hệ thống IM-DD O-OFDM sử dụng giải pháp đề xuất đánh giá thông qua tính tốn lý thuyết kiểm chứng mô Monte-Carlo 4.2 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU ẢNH HƯỞNG PHI TUYẾN DỰA TRÊN KĨ THUẬT TRUYỀN NGƯỢC TRONG MIỀN QUANG 4.2.1 Bộ OBP đề xuất Cấu tạo OBP đề xuất gồm nhiều đoạn nhỏ, đoạn gồm phần tử HNLF phần tử FBG, phía cuối có thêm mơ đun liên hợp pha quang (OPC) để tạo tín hiệu liên hợp khuếch đại EDFA để điều khiển công suất quang phát vào sợi truyền dẫn Hình 4.1 biểu diễn sơ đồ chi tiết OBP đề xuất Hình 4.1 Sơ đồ OBP đề xuất 4.2.2 Phương pháp tách sóng miền quang Mục phân tích bước bù phi tuyến tán sắc OBP đề xuất Ở bước bù phi tuyến, đoạn sợi HNLF đóng vai trị toán tử phi tuyến OBP, bỏ qua suy hao sợi quang, ảnh hưởng phi tuyến bù hoàn toàn dịch pha phi tuyến OBP SMF hoàn toàn Ở bước bù tán sắc, phần tử FBG đóng vai trị phần tử tuyến tính OBP, ảnh hưởng tán sắc gây OBP cần phải ảnh hưởng tán sắc gây đoạn SMF Tín hiệu OFDM sau qua đoạn HNLF FBG liên hợp pha OPC nhờ q trình trộn bốn sóng Tín hiệu liên hợp pha truyền qua sợi quang truyền dẫn tới phía thu Cơng suất tín hiệu OFDM liên hợp sau OPC đưa sau 20 ! 𝑃!"#$ = 𝜌 ! 𝛾!" 𝐿!" ! 𝑃!! 𝑃!"# (4.19) D hệ số suy biến FWM, P! công suất nguồn bơm OPC Hệ số ρ đặc trưng cho phần cơng suất sóng FWM trùng với tần số liên hợp, < ρ < 4.2.3 Tính tốn lý thuyết Phần xác định hiệu cải thiện hiệu giải pháp truyền ngược đề xuất tính tốn lý thuyết Công suất trường quang FWM E! (L) ! , cịn gọi cơng suất phi tuyến, tần số ω! với giả thiết cơng suất tín hiệu tất kênh tính sau 𝑃!!" 𝐿 = 𝐸! (𝐿) ! = !! !! ! 𝑃! !! ! !!!"" !! ! !∆! ! 1+ !! !!! ! !"#! (∆!"/!) (!!! (4.22) !!! ! ! ) Công suất FWM, 𝐸!! (𝐿) ! , tần số 𝜔! phía cuối hệ thống IM-DD O-OFDM có sử dụng OBP 𝑃!! 𝐿 = ! !!!"#$ !∆! !! ! !∆! ! !! ! ! ! ! !! !!!"" 𝑃! sin ( !! ! !∆! ! ∆!" ! 1+ !! !!! ! !"#! (∆!"/!) !! ! (!!! ! )! ) 𝛼! − 𝑒 !!!! 𝑐𝑜𝑠 ∆!" ! + ! !!"#$ ! ! ∆! ! 4𝑠𝑖𝑛! ∆!" − ! + ∆𝛽 + 𝑒 !!!! sin ( ∆!" ! ) (4.28) Trong công thức (4.28), số hạng thứ công suất FWM đoạn SMF, số hạng thứ hai công suất FWM OBP, số hạng thứ ba công suất trường quang gây trình trộn phi tuyến, thực nhiệm vụ bù ảnh hưởng phi tuyến cho OBP SMF Hiệu bù phi tuyến OBP tăng lên số hạng thứ ba lớn nhiều số hạng thứ hai 21 P/S DAC IFFT Thêm CP S/P Dữ liệu đầu vào Sắp xếp (Mapping) 4.3 HIỆU NĂNG HỆ THỐNG OFDM QUANG ĐƠN KÊNH SỬ DỤNG BỘ OBP ĐỀ XUẤT OBP LD EDFA Bộ thu OFDM ADC S/P Bỏ CP FFT Cân bằng P/S Dữ liệu đầu ra Giải sắp xếp SMF Bộ phát OFDM MZM LPF PD OBF Hình 4.5 Sơ đồ khối hệ thống IM-DD O-OFDM sử dụng OBP Trong phần này, mô Monte-Carlo sử dụng để khảo sát hiệu cải thiện hiệu giải pháp đề xuất hệ thống IM-DD OOFDM đơn kênh theo sơ đồ đưa hình 4.5, với OBP đóng vai trị bù trước Hình 4.9 BER phụ thuộc công suất quang đầu vào đoạn SMF hệ thống khơng có OBP, bù tán sắc có OBP 22 Hình 4.9 cho thấy hiệu BER hệ thống IM-DD O-OFDM đơn kênh cải thiện cỡ bậc mặt độ lớn bù tán sắc cải thiện thêm bậc sử dụng OBP đề xuất Dải công suất quang đầu vào sợi SMF tối ưu sử dụng OBP tăng thêm dB so với bù tán sắc 4.4 HIỆU NĂNG HỆ THỐNG OFDM QUANG ĐA KÊNH SỬ DỤNG BỘ OBP ĐỀ XUẤT Bộ phát quang OFDM #N OBP WDM P/S DAC IFFT Thêm CP S/P Dữ liệu đầu vào Sắp xếp (Mapping) Bộ phát quang OFDM #2 EDFA LD MZM Bộ thu OFDM S/P ADC FFT Bỏ CP Cân bằng Giải sắp xếp Dữ liệu đầu ra P/S SMF Bộ phát quang OFDM #1 LPF PD OBF Hình 4.10 Sơ đồ khối hệ thống IM-DD O-OFDM WDM sử dụng OBP Trong hệ thống IM-DD O-OFDM WDM, ảnh hưởng phi tuyến sóng mang tín hiệu OFDM tạo thành từ hai nguồn nhiễu sau: + Hiệu ứng FWM phát sinh tương tác sóng mang tín hiệu OFDM, gây lượng cơng suất phi tuyến 𝑃!!"#$ 𝐿 23 + Hiệu ứng FWM phát sinh tương tác kênh quang hệ thống WDM, gây công suất phi tuyến P!!"# L Cơng suất phi tuyến tổng sóng mang tín hiệu OFDM trường hợp có không sử dụng OBP thu sau: 𝑃!!"!#$ 𝐿 = 𝑃!!"# 𝐿 + 𝑃!!"#$ 𝐿 (4.29) Hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng lên tín hiệu OFDM hệ thống IMDD O-OFDM đa kênh lớn nhiều so với hệ thống đơn kênh Mô Monte-Carlo sử dụng để đánh giá hiệu hệ thống trường có hợp có khơng có OBP theo mơ hình đưa hình 4.10 Hình 4.11 BER phụ thuộc vào công suất kênh WDM đầu vào SMF Hình 4.11 cho thấy, với cơng suất đầu vào OBP dBm, tồn dải công suất đầu vào SMF khoảng (−8 ÷ 2) dBm có BER nhỏ nhất, hai trường hợp khoảng cách kênh 25 GHz 50 GHz Khi khoảng cách kênh quang 50 GHz, BER thấp khoảng 10-5, nhỏ cỡ 10 lần so với khoảng cách kênh 25 GHz 4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương này, giải pháp cải thiện hiệu hệ thống IM-DD OOFDM đóng vai trị bù trước dựa kĩ thuật truyền ngược miền quang đề xuất Bộ OBP đề xuất cấu tạo từ phần tử quang nhỏ gọn, có sẵn gồm có HNLF, FBG ống dẫn sóng phi 24 tuyến Các tính tốn lý thuyết khẳng định hiệu giải pháp OBP cho phép giảm thiểu đáng kể ảnh hưởng tham số tán sắc phi tuyến hệ thống IM-DD O-OFDM đơn kênh đa kênh lựa chọn tham số phù hợp Bộ OBP đề xuất đặt phía phát giúp cho khả ứng dụng OBP cho mạng truy nhập quang khoảng cách dài trở nên khả cần sử dụng OBP OLT để cải thiện hiệu cho LR-PON, giữ nguyên đơn giản ONU KẾT LUẬN Trong Luận án, hai giải pháp nâng cao hiệu hệ thống OFDM quang trình bày Nghiên cứu sinh thực xây dựng mơ hình giải tích đánh giá hiệu hệ thống OFDM quang ảnh hưởng tổng thể yếu tố tác động Kết thu cho thấy, ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến nghiêm trọng so với yếu tố khác Ảnh hưởng phi tuyến lên hệ thống chủ yếu đến từ đặc tuyến khơng hồn tồn tuyến tính nguồn quang MZM phát hiệu ứng phi tuyến sợi Trên sở đó, nghiên cứu sinh hướng đến đề xuất giải pháp kĩ thuật nhằm nâng cao hiệu hệ thống OFDM quang cách giảm thiểu ảnh hưởng phi tuyến Các kết đóng góp khoa học luận án chia thành hai nhóm sau: Đề xuất giải pháp sử dụng nén giãn để cải thiện hiệu tỉ số lỗi bit cho hệ thống OFDM quang miền điện Đề xuất giải pháp sử dụng kĩ thuật truyền ngược để cải thiện hiệu hệ thống OFDM quang miền quang Hướng nghiên cứu luận án tập trung vào nghiên cứu khả kết hợp giải pháp bù phi tuyến đề xuất cho hệ thống IM-DD O-OFDM, đồng thời mở rộng nghiên cứu hướng tiếp cận bù phi tuyến để đưa giải pháp cải thiện hiệu phù hợp cho hệ thống OFDM quang khác 25 CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ BÀI BÁO KHOA HỌC [J1] Trang T T Ngo, Thu A Pham, Nhan D Nguyen, Ngoc T Dang, “Hybrid OFDM RoF-Based WDM-PON/MMW Backhaul Architechture for Heterogeneous Wireless Networks,” REV Journal of Electronics and Communications, vol 7, no 3-4, pp 57-64, 2017 (Tạp chí Điện tử Truyền thông – Hội vô tuyến điện tử) [J2] Ngo T T Trang, Nguyen D Nhan, Bui T Hieu, “Optical back propagation for nonlinear comensation in OFDM-based long-rangep assive optical networks”, VNU Journal of Science: Mathematics – Physics, vol 36, no 1, pp 54-63, 2020 (Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội: Toán – Lý) [J3] Trang T T Ngo, Nhan D Nguyen, “A simple nonlinear companding transform for nonlinear compensation of direct-detection optical OFDM systems”, Intl Journal of Electronics and Telecommunications, vol 66, no 3, pp 515-520, 2020 (Tạp chí quốc tế ISI) [J4] Ngo Thi Thu Trang, Tran Thuy Binh, Bui Trung Hieu, Nguyen Duc Nhan, “Efficiency of nonlinear compensation for WDM-PON based OFDM using optical back propagation”, Journal of Science and Technology on Information and Communications, vol 4, pp 21-27, 2020 (Tạp chí Khoa học Công nghệ Thông tin Truyền thông) HỘI NGHỊ KHOA HỌC [C1] Trang T Ngo, Hieu B Trung, Nhan D Nguyen, “A simple performance analysis of IM-DD OFDM WDM systems in long-range PON application,” In the Proc of the Seventh Symposium on Information and Communication Technology (SOICT 2016), Hochiminh, Vietnam, 2016, pp 216-223 [C2] Binh T Tran, Nhan D Nguyen, Trang T Ngo, “A comparison for improving the performance of two-stage Optical Phase Conjugation using the third-order nonlinearity,” In the Proc of the forth IEEE/NAFOSTED Conference on Information and Computer Science (NICS 2017), Hanoi, Vietnam, 2017, pp 153158 [C3] Trang T Ngo, Hieu B Trung, Nhan D Nguyen, “Performance improvement of IM-DD Optical OFDM system using A-law companding transform,” In the Proc of the 2018 IEEE International Conferences on Advanced Technologies for Communications (ATC 2018), Hochiminh, Vietnam, 2018, pp 203-207 ... thống OFDM quang cần thiết Xuất phát từ phân tích trên, nghiên cứu sinh định chọn đề tài ? ?Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu cho hệ thống OFDM quang? ?? cho luận án Tiến sĩ 2 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN... QUANG Kĩ thuật OFDM ứng dụng nhiều hệ thống OFDM quang khác Trong phạm vi luận án này, dựa chế tổ hợp tín hiệu OFDM, hệ thống OFDM quang phân loại hình 1.1 4 Hệ thống OFDM quang DO -OFDM AO -OFDM. .. trình nghiên cứu ngồi nước hệ thống OFDM quang, nghiên cứu sinh xác định hướng nghiên cứu thực luận án CHƯƠNG 2: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG OFDM QUANG 2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Sự kết hợp kĩ thuật IM-DD O-OFDM