Nghiên cứu đặc tính của hệ thống truy cập quang vô tuyến sử dụng băng tần cao SCM MMW rof cho thông tin di động thế hệ mới

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -  - ĐÔNG HẢI NAM C C R L T NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG TRUY CẬP DU QUANG –VÔ TUYẾN SỬ DỤNG BĂNG TẦN CAO SCM/MMW/RoF CHO THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Đà Nẵng - Năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -  - ĐƠNG HẢI NAM NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG TRUY CẬP QUANG –VÔ TUYẾN SỬ DỤNG BĂNG TẦN CAO C C SCM/MMW/RoF CHO THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI R L T DU CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 8520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN VĂN TUẤN Đà Nẵng – Năm 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tôiư xin cam đoan nội dung luận văn “Nghiên cứu đặc tính hệ thống truy cập quang - vô tuyến sử dụng băng tần cao SCM/MMW/RoF cho thông tin di động hệ mới” chép luận văn cơng trình có từ trước Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Đà Nẵng, ngày 01 tháng 12 năm 2020 Học viên thực D T U R L C C Đông Hải Nam ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN _ i MỤC LỤC ii TÓM TẮT LUẬN VĂN viii CÁC TỪ VIẾT TẮT viiii DANH MỤC CÁC BẢNG xiii DANH MỤC CÁC HÌNH _ xiiii MỞ ĐẦU _ 1 Tính cấp thiết đề tài _ C C Mục tiêu nghiên cứu R L T Đối tượng phạm vi nghiên cứu _ 3.1 Đối tượng nghiên cứu _ DU 3.2 Phạm vi nghiên cứu _ Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài _ Kết cấu luận văn _ CHƯƠNG _ TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SCM/MMW/RoF TRUY CẬP QUANG – VÔ TUYẾN 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Khái niệm kỹ thuật truyền sóng vơ tuyến qua sợi quang (RoF) 1.3 Các thành phần tuyến RoF _ 1.4 Kỹ thuật truyền dẫn RoF 1.4.1 Các kỹ thuật điều chế đầu phát 1.4.1.1 Kỹ thuật điều chế trực tiếp (Direct Modulation – DM) _ 1.4.1.2 Kỹ thuật điều chế (External Modulation) 10 iii 1.4.2 Các kỹ thuật tách sóng đầu thu _ 12 1.4.2.1 Kỹ thuật tách sóng trực tiếp _ 12 1.4.2.2 Kỹ thuật tách sóng Coherence 12 1.5 Những ưu - khuyết điểm RoF 13 1.5.1 Ưu điểm 13 1.5.2 Khuyết điểm _ 15 1.6 Phương pháp ghép kênh sóng mang phụ 15 1.6.1 Hệ thống SCM tín hiệu tương tự 18 1.6.2 Hệ thống SCM tín hiệu số 19 1.6.3 Hệ thống SCM đa sóng mang _ 20 1.7 Kết luận chương _ 22 C C CHƯƠNG 24 R L T CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG Ở PHẦN QUANG 24 DU 2.1 Giới thiệu chương _ 24 2.2 Khái niệm kỹ thuật RoF sử dụng khuếch đại quang máy thu Coherence 24 2.2.1 Giới thiệu _ 24 2.2.2 Đặc điểm 24 2.3 Máy thu Coherence 26 2.4 Cấu tạo nguyên lý hoạt động khuếch đại EDFA _ 29 2.4.1 Khuếch đại quang EDFA 29 2.4.2 Nguyên lý hoạt động khuếch đại EDFA 30 2.5 Hệ số khuếch đại EDFA _ 31 2.6 Ưu điểm nhược điểm EDFA _ 32 2.6.1 Ưu điểm 32 2.6.2 Nhược điểm _ 32 2.7 Các loại nhiễu máy thu quang Coherence hệ thống sử dụng khuếch đại EDFA _ 32 iv 2.7.1 Nhiễu bắn _ 32 2.7.2 Nhiễu nhiệt _ 33 2.7.3 Nhiễu phách ASE tín hiệu quang _ 34 2.8 Những ưu điểm nhược điểm hệ thống quang sử dụng máy thu Coherence _ 35 2.8.1 Ưu điểm 35 2.8.2 Nhược điểm _ 35 2.9 Kết luận chương _ 35 CHƯƠNG 37 THIẾT LẬP CÁC BIỂU THỨC BIỂU DIỄN ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG _ 37 C C 3.1 Giới thiệu chương _ 37 R L T 3.2 Giới thiệu kênh truyền sóng mơi trường khơng gian tự 37 3.3 Các tượng xảy lan truyền sóng _ 37 DU 3.3.1 Phản xạ 37 3.3.2 Khúc xạ 38 3.3.3 Nhiễu xạ 38 3.3.4 Pha đinh 38 3.4 Các tượng ảnh hưởng đến chất lượng lan truyền sóng khơng gian tự 39 3.4.1 Hiện tượng truyền sóng đa đường _ 40 3.4.2 Suy hao đường truyền _ 41 3.4.3 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) 41 3.5 Kênh truyền theo phân bố Rayleigh 41 3.6 Các khối Mobile Host _ 42 3.6.1 Bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA) 43 3.6.2 Bộ trộn tần (MIX) 43 3.6.3 Bộ khuếch đại trung gian (MPA) 43 v 3.7 Thiết lập biểu thức tính tốn SNR BER hệ thống SCM/MMW/RoF truy cập quang vô tuyến 43 3.8 Kết luận chương _ 48 CHƯƠNG 50 KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ _ 50 4.1 Giới thiệu chương _ 50 4.2 Mơ hình hệ thống SCM/MMW/RoF truy cập quang - vô tuyến sử dụng khuếch đại quang EDFA máy thu Coherence _ 50 4.3 Kết khảo sát đặc tính hệ thống, phân tích nhận xét _ 52 4.3.1 Khảo sát tỉ lệ lỗi bit BER theo công suất phát, số kênh vị trí đặt C C khuếch đại quang EDFA _ 53 R L T 4.3.2 Khảo sát tỉ lệ lỗi bit BER theo số kênh, hệ số khuếch đại quang EDFA vị trí đặt khuếch đại quang EDFA _ 57 DU 4.3.3 Khảo sát tỉ lệ lỗi bit BER theo khoảng cách vô tuyến từ trạm BTS đến điện thoại di động vị trí đặt khuếch đại quang EDFA 60 4.3.4 Khảo sát tỉ lệ lỗi bit BER theo tần số vơ tuyến có băng tần cao (MMW), khoảng cách truyền dẫn vô tuyến vị trí đặt khuếch đại quang EDFA _ 62 4.4 Kết luận chương _ 64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ _ 66 Kết luận _ 66 Kiến nghị 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 PHỤ LỤC _ 69 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN _ 79 vi BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG VÀ NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN 80 C C DU R L T vii TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG TRUY CẬP QUANG –VƠ TUYẾN SỬ DỤNG BĂNG TẦN CAO SCM/MMW/RoF CHO THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI Học viên: Đông Hải Nam Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 8520203 Khóa: 38 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Trong thời đại công nghệ 4.0, việc trao đổi truyền tải thông tin, liệu nhu cầu thiết yếu cá nhân, tổ chức quốc gia Trên toàn cầu, lưu lượng liệu di động tăng gấp lần từ năm 2017 đến năm 2022, với tốc độ tăng trưởng 46% đạt 77,5 exabyte tháng vào năm 2022 (một exabyte tỉ gigabyte) Lưu lượng truy cập từ thiết bị không dây thiết bị di động chiếm 71% tổng lưu lượng IP vào năm 2022 [9] Trong bối cảnh đó, hệ thống thơng tin cáp quang truyền trực tiếp tín hiệu tần số vơ tuyến từ hàng chục đến hàng trăm GHz, đặt tên sóng Millimeter Wave Radio-Over-Fiber (MMW / RoF) trở thành giải pháp đầy hứa hẹn tiềm để tăng dung lượng lên gấp hàng trăm lần so với ngày để đáp ứng nhu cầu ngày tăng nhanh chóng 5G 5G.Trong đề tài nghiên cứu giải pháp kết hợp hệ thống truy cập quang- vô tuyến sử dụng băng tần cao SCM/MMW/RoF cho thông tin di động hệ Chất lượng hệ thống truy cập quang - vô tuyến băng thông rộng bị ảnh hưởng loại nhiễu gây sợi quang, khuếch đại quang, máy thu quang mà bị ảnh hưởng loại nhiễu pha đinh thời tiết pha đinh nhiều tia truyền không gian đến máy thu người dùng Luận văn xây dựng mơ hình hệ thống SCM/MMW/RoF truy cập quang - vơ tuyến, tính tốn viết chương trình mơ Matlab nhằm đánh giá hiệu (BER, SNR) hệ thống Từ tìm biện pháp nâng cao chất lượng hệ thống Từ khóa – hệ thống thông tin cáp quang; Millimeter Wave Radio-Over-Fiber; thông tin di động hệ mới; pha đinh; hệ thống truy cập quang- vô tuyến RESEARCH THE CHARACTERISTICS OF OPTICAL- RADIO ACCESS SYSTEM USING SCM / MMW / RoF HIGH FREQUENCY BANDS FOR NEW GENERATION MOBILE COMMUNICATION Abstract – In the era of technology 4.0, the communication of information data is one of the essential needs of every individual, organization as well as other countries Globally, mobile data traffic will increase seven times from 2017 to 2022, with a 46% growth rate to reach 77.5 exabytes per month in 2022 (one exabyte equals one billion gigabytes) Traffic from wireless devices and mobile devices will cover for 71% of total IP traffic in 2022 In that context, fiber optic communication systems transmit radio frequency signals directly from tens to hundreds of GHz, called the Millimeter Wave Radio-OverFiber (MMW/RoF) has become a promising and potential solution to increase capacity hundreds of times more than today to meet demand rapidly growing of 5G and beyond 5G This topic proposed a solution that can combine optical-radio access with a system using SCM/MMW/RoF high frequency band for new generation mobile communication The quality of the broadband optical access system is not only affected by the types of noises caused in optical fibers, optical amplifiers, and optical receivers, but also is affected by weather-related fading and multipath propagation fading as it travels through space to the receiver of users The thesis will build a model of SCM /MMW/RoF system with optical radio access, calculate and build simulation program by Matlab to evaluate the performance (BER, SNR) of the system Finally, find measures to improve the quality of the system Keywords– fiber optic communication systems; Millimeter Wave Radio-Over-Fiber; new generation mobile communication; fading; optical-radio access C C DU R L T viii CÁC TỪ VIẾT TẮT Kí hiệu Từ Tiếng Anh Ý nghĩa A AGC Auto Gain Control Bộ điều khiển khuếch đại tự động AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ ARoF Analog Radio over Fiber ASE Amplified Spontaneous Emission Nhiễu phát xạ tự phát AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gaussian trắng Tín hiệu vô tuyến sợi quang tương tự C C R L T B Khuếch đại công suất BA Booster Amplifier BB Baseband BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BS Base Station Trạm gốc BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc DU Băng sở C CATV Community Access Television Truyền hình cáp CNR Carrier-to-noise Ratio Tỉ lệ sóng mang nhiễu CS Central Station Trạm trung tâm CW Continuous Wave Tín hiệu liên tục D DFB Distributed Feedback Laser Laser phản hồi phân tán DM Direct Modulation Điều chế trực tiếp DRoF Digital Radio over Fiber Kỹ thuật truyền tín hiệu vơ tuyến 77 I_d=0.4e-10;%the dark current RIN=2.25e-16;% Xem lai gia tri nay! lamda=1550e-9; % don vi la m %% THONG SO KHUECH DAI G_HPA_dB=25;%HPA gain dB G_HPA=10^(G_HPA_dB/10); G_aTX_dB=20;%aTX gain dB G_aTX=10^(G_aTX_dB/10); G_aRX_dB=10;%aRX gain dB G_aRX=10^(G_aRX_dB/10); G_LNA_dB=10;%LNA gain dB He so KD LNA va Doi tan deu phai nho G_LNA=10^(G_LNA_dB/10); G_MIX_dB=15;%MIX gain dB G_MIX=10^(G_MIX_dB/10); G_MPA_dB=20;%MPA gain dB G_MPA=10^(G_MPA_dB/10); %% THONG SO NHIEU NF_HPA_dB=5;%HPA noise figure dB NF_HPA=10^(NF_HPA_dB/10); NF_aTX_dB=5;%aRx noise figure dB NF_aTX=10^(NF_aTX_dB/10); NF_aRX_dB=5;%aRx noise figure dB NF_aRX=10^(NF_aRX_dB/10); C C R L T NF_LNA_dB=4;%noise figure of the LNA dB NF_LNA=10^(NF_LNA_dB/10); NF_MIX_dB=5;%noise figure of the MIX dB NF_MIX=10^(NF_MIX_dB/10); NF_MPA_dB=5;%noise figure of the MPA dB NF_MPA=10^(NF_MPA_dB/10); DU f_mmw=30e9;%MMW frequency GHz gama_ox=0.04*5;% theo TLTK gama_rain=0.9*5;% theo TLTK voi luong mua 25 mm/h %% B = 50*10^9; % B=50 Gbit/s N=20; Bo = (6912*0.7*B)/N;% Bo/Be =193548GHz/28GHz P_EDFA_CD = EDFA_CD_calc(R,Bo,P_LO,h,v,q,nsp,alpha1,P_phat_W,alpha_EDFA_RX,G_EDFA); SNR = SNR_calc(P_EDFA_CD,B, N, P_LO,L_km, c, alpha_dB, P_phat_dBm , G_EDFA_dB, q, R, I_d, K, T, R_L, RIN,d, f_mmw, gama_ox, gama_wv, gama_rain, G_HPA, G_aTX, G_aRX, G_LNA, G_MIX,G_MPA, NF_HPA, NF_aTX, NF_aRX,NF_LNA,NF_MIX, NF_MPA) BER_NLOS_1=0.5*(1-sqrt(SNR./(SNR+1))); % NLOS (Xem l?i bi?u th?c n‡y??) BER_LOS_1 = 0.5*erfc(sqrt(SNR/2)); % LOS f_mmw=40e9;%MMW frequency GHz gama_ox=0.03*5;% theo TLTK gama_rain=1.4*5;% theo TLTK theo TLTK voi luong mua 25 mm/h %% B = 50*10^9; % B=50 Gbit/s N=20; Bo = (5093*0.7*B)/N;% Bo/Be =193548GHz/38GHz P_EDFA_CD = EDFA_CD_calc(R,Bo,P_LO,h,v,q,nsp,alpha1,P_phat_W,alpha_EDFA_RX,G_EDFA); 78 SNR = SNR_calc(P_EDFA_CD,B, N, P_LO,L_km, c, alpha_dB, P_phat_dBm , G_EDFA_dB, q, R, I_d, K, T, R_L, RIN,d, f_mmw, gama_ox, gama_wv, gama_rain, G_HPA, G_aTX, G_aRX, G_LNA, G_MIX,G_MPA, NF_HPA, NF_aTX, NF_aRX,NF_LNA,NF_MIX, NF_MPA) BER_NLOS_2=0.5*(1-sqrt(SNR./(SNR+1))); % NLOS (Xem l?i bi?u th?c n‡y??) BER_LOS_2 = 0.5*erfc(sqrt(SNR/2)); % LOS f_mmw=50e9;%MMW frequency GHz gama_ox=3.2*5;% theo TLTK gama_rain=2*5;% theo TLTK voi luong mua 25 mm/h %% B =50*10^9; % B=50 Gbit/s N=20; Bo = (3225*0.7*B)/N;% Bo/Be =193548GHz/60GHz P_EDFA_CD = EDFA_CD_calc(R,Bo,P_LO,h,v,q,nsp,alpha1,P_phat_W,alpha_EDFA_RX,G_EDFA); SNR = SNR_calc(P_EDFA_CD,B, N, P_LO,L_km, c, alpha_dB, P_phat_dBm , G_EDFA_dB, q, R, I_d, K, T, R_L, RIN,d, f_mmw, gama_ox, gama_wv, gama_rain, G_HPA, G_aTX, G_aRX, G_LNA, G_MIX,G_MPA, NF_HPA, NF_aTX, NF_aRX,NF_LNA,NF_MIX, NF_MPA) BER_NLOS_3=0.5*(1-sqrt(SNR./(SNR+1))); % NLOS (Xem l?i bi?u th?c n‡y??) BER_LOS_3 = 0.5*erfc(sqrt(SNR/2)); % LOS C C %% ve thi figure(4) semilogy(d,BER_NLOS_3,'-vr','LineWidth',1, 'MarkerEdgeColor','r', 'MarkerFaceColor','r', 'MarkerSize',4.5);hold on; semilogy(d,BER_LOS_3,'-.c*','LineWidth',1, 'MarkerEdgeColor','c', 'MarkerFaceColor','c', 'MarkerSize',4.5);hold on; semilogy(d,BER_NLOS_2,'->b','LineWidth',1, 'MarkerEdgeColor','b', 'MarkerFaceColor','b', 'MarkerSize',4.5);hold on; semilogy(d,BER_LOS_2,'-.