Khảo sát đặc tính của tuyến MMW rof trong mạng truy cập quang vô tuyến

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN NGỌC PHÚ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA TUYẾN MMW/RoF TRONG MẠNG TRUY CẬP QUANG - VÔ TUYẾN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Đà Nẵng - Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN NGỌC PHÚ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA TUYẾN MMW/RoF TRONG MẠNG TRUY CẬP QUANG - VÔ TUYẾN Chuyên ngành : Mã số : Kỹ thuật điện tử 8520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN TUẤN Đà Nẵng - Năm 2019 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lí lựa chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu luận văn Ý nghĩa khoa học thực tiễn Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RoF 1.1 Giới thiệu chương .4 1.2 Hệ thống thông tin sợi quang 1.3 Kỹ thuật truyền sóng vơ tuyến qua sợi quang 1.4 Ưu điểm, nhược điểm kỹ thuật RoF 1.4.1 Ưu điểm 1.4.2 Nhược điểm 1.5 Một số ứng dụng RoF 1.6 Kết luận chương .10 CHƯƠNG 11HỆ THỐNG RoF SỬ DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG VÀ MÁY THU COHERENCE 11 2.1 Giới thiệu chương 11 2.2 Kỹ thuật RoF sử dụng máy thu Coherence 11 2.3 Cấu trúc hệ thống RoF sử dụng máy thu Coherence 12 2.3.1.Nguyên lý hoạt động 13 2.3.2.Kỹ thuật điều chế máy phát 15 2.3.3.Kỹ thuật tách sóng máy thu Coherence 18 2.4 Photodiode PIN 20 2.5 Bộ khuếch đại EDFA 23 2.5.1.Nguyên lý hoạt động khuếch đại EDFA 24 2.5.2.Hệ số khuếch đại EDFA 25 2.5.3.Ưu điểm nhược điểm EDFA 25 2.6 Kết luận chương .26 CHƯƠNG KÊNH TRUYỀN VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄUĐẾN TUYẾN TRUY NHẬP QUANG – VÔ TUYẾN .27 3.1 Giới thiệu chương 27 3.2.Kênh truyền tượng xảy lan truyền sóng môi trường không gian tự 27 3.2.1.Phản xạ 27 3.2.2.Khúc xạ 27 3.2.3.Nhiễu xạ .28 3.2.4.Fading 28 3.3 Các tượng ảnh hưởng đến chất lượng lan truyền sóng 29 3.3.1.Hiện tượng đa đường (Multipath) 29 3.3.2 u hao đường tru ền 30 3.3.3.Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) 30 3.4.Các loại nhiễu máy thu quang kết hợp với khuếch dại EDFA 30 3.4.1.Nhiễu bắn .30 3.4.2.Nhiễu nhiệt 31 3.4.3.Nhiễu ASE 32 3.5 Kênh truyền theo phân bố Rayleigh .33 3.6 Các khối Mobile Host 34 3.6.1.Bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA) .34 3.6.2.Bộ trộn tần (MIX) 34 3.6.3.Bộ khuếch đại trung tần(MPA) 34 3.7.Biểu thức tính NDR BER dùng đường truyền quang-vơ tuyến 35 3.8.Kết luận chương 36 CHƯƠNG KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA TUYẾN MMW/RoF TRONG MẠNG TRUY CẬP QUANG - VÔ TUYẾN BẰNG MATLAB 38 4.1.Giới thiệu chương 38 4.2.Xây dựng mơ hình tính tốn tuyến MMW/RoF truy cập quang-vơ tuyến .38 4.3.Vẽ đồ thị phần mền Matlab nhận xét kết 40 4.3.1.Khảo sát tỉ lệ lỗi bít BER theo thơng số tán sắc 40 4.3.2.Khảo sát tỉ lệ lỗi bít BER theo tần số MMW .42 4.3.3.Khảo sát tỉ lệ lỗi bít BER theo khoảng cách truyền khơng dây (vơ tuyến) 45 4.3.4.Khảo sát tỉ lệ lỗi bit BER theo công suất dao động nội P 47 4.4.Kết luận chương 48 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA TUYẾN MMW/RoF TRONG MẠNG TRUY CẬP QUANG - VÔ TUYẾN Học viên: Trần Ngọc Phú Chu ên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 8520203 Khóa: K35 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt – Ngày nay, nhu cầu truyền thông ngày lớn với nhiều dịch vụ băng rộng/tốc độ cao đa phương tiện đời sống quốc gia kết nối toàn cầu Để thúc đẩy phát triển kỷ nguyên thơng tin, mạng truyền thơng cần phải có khả linh hoạt cao, tốc độ truyền dẫn lớn, băng thông rộng, đa dịch vụ Vì lý kỹ thuật Radio over Fiber (RoF) đời kết hợp với tần số sóng Milimet nhằm tạo mạng lưới băng thơng lớn cự ly truyền dẫn xa, tảng cho mạng truy nhập không dâ băng thông rộng tương lai Đề tài khảo sát đặc tính tuyến MMW/RoF kết hợp với sử dụng khuếch đại quang EDFA má thu Coherence để tăng khoảng cách truyền dẫn, độ nhạy máy thu từ nâng cao chất lượng tín hiệu Đầu tiên, trình bày tổng quan kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu vơ tuyến qua sợi quang (RoF) au mơ tả hệ thống RoF kết hợp sử dụng máy thu Coherence khuếch đại quang EDFA Tiếp theo, đưa mơ hình khảo sát tính tốn thơng số nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống, tính tốn SNR, BER Cuối cùng, khảo sát đặc tính tuyến đánh giá kết đạt Từ khóa – Radio-over-fiber (RoF),millimeter-wave (MMW), Coherence, Broadband optical/wireless access networks SURVEYING MMW / ROF LINK CHARACTERISTICS IN OPTICAL - WIRELESS ACCESS NETWORKS Summary – Today, the demand for communication is growing with many new broadband/high-speed and multimedia services in each country's life as well as global connectivity To promote the development of the information age, communication networks need to be highly flexible, high transmission rates, broadband, and multi-service For that reason, Radio over Fiber (RoF) technology was created in conjunction with the Milet wave frequency to create a large bandwidth network and long-distance transmission range, which will be the foundation for future wireless broadband access network The study investigated the characteristics of the MMW / RoF route in combination with the use of EDFA optical amplifiers and Coherence receivers to increase transmission distance and receiver sensitivity, thereby improving signal quality First, present an overview of fiber optic signal transmission techniques (RoF) Then describe the combined RoF system using Coherence receivers and EDFA optical amplifiers Next, provide a survey model and calculate the noise parameters affecting the system, calculate SNR, BER Finally, survey the characteristics of the route and evaluate the results achieved Key words – Radio-over-fiber (RoF),millimeter-wave (MMW), Coherence, Broadband optical/wirelessaccess networks CÁC TỪ VIẾT TẮT Kí hiệu Từ Tiếng Anh Ý nghĩa AFC ASE ASK Automatic Frequency Control Amplified Spontaneous Emission Amplitude Shift Keying Bộ tự động điều khiển tần số Nhiễu phát xạ tự phát Kỹ thuật điều chế khóa dịch biên độ BA BB BER BS BPF BTS Booster Amplifier Baseband Bit Error Rate Base Station Band Pass Filter Base Transceiver Station Khuếch đại công suất Băng sở Tỷ lệ lỗi bit Trạm gốc Bộ lọc thông dải Trạm thu phát gốc CS CNR Central Station Carrier Noise Ratio Trạm trung tâm Tỉ số sóng mang nhiễu Demultiplexer Differential Phase Shift Keying Dispersion Shift Fiber Bộ tách tín hiệu Điều chế pha vi phân ợi dịch chu ển tán sắc Erbium Doped Fiber ợi pha tạp Erbium Bộ khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium A B C D DEMUX DPSK DSF E EDF EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier F FWM Four Wave Mixing Trộn bốn bước sóng IF Intermediate Frequency Intensity Modulation – Direct Detection Tần số trung tần Điều chế cường độ - Tách sóng trực tiếp Line Amplifier Laser Diode Local Oscillator Local Area Network Khuếch đại đường tru ền Laser Diode Bộ dao động nội Mạng cục Multimode Fiber Multiplexer Mach-Zehnder Modulator ợi quang đa mode Bộ ghép kênh Bộ điều chế Mach-Zehnder Pre-amplifier Photodiode Plastic optical fiber Tiền khuếch đại Photodiode ợi quang chất dẻo I IM-DD L LA LD LO LAN M MMF MUX MZM P PA PD POF PSK Phase-shift keying Điều chế khóa dịch pha RF RAU Radio Frequency Remote Antenna Unit RoF Radio over Fiber Tần số cao tần Thiết bị anten đầu xa Kỹ thuật tru ền tín hiệu vơ tu ến sợi quang SBS SCM SMF SNR SPM SRS Stimulated Brillouin Scattering Subcarrier Multiplexing Single Mode Fiber Signal to Noise Ratio Self Phase Modulation Stimulated Raman Scattering Tán xạ Brillouin kích thích Ghép sóng mang phụ ợi quang đơn mode Tỉ số tí hiệu nhiễu Tự điều chế pha Tán xạ Raman kích thích TDM Time Divison Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian UMTS Universal Mobile Telecommunication System Mạng di động hệ thứ (3G) Wide Area Network Wavelength Division Multiplexing Wireless Local Area Network Mạng diện rộng Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng Mạng cục khơng dâ Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo R S T U W WAN WDM WLAN X XPM DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 1.1 Tên bảng Các thông số thiết lập cho tuyến MMW/RoF Trang 39 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1 đồ khối hệ thống thông tin quang WDM tiêu biểu 1.2 Cấu trúc đơn giản hệ thống thông tin sợi quang đơn hướng 1.3 2.1 2.2 đồ cầu nối không dây sợi quang mạng RAN đồ hệ thống RoF truy cập quang - vô tuyến sử dụng khuếch đại quang EDFA máy thu quang Coherence đồ nguyên lý hệ thống 12 14 2.3 Kỹ thuật điều chế trực tiếp 16 2.4 Kỹ thuật điều chế 16 2.5 Bộ điều chế Mach Zenhder 17 2.6 đồ khối má thu đổi tần đồng 19 2.7 đồ khối má thu đổi tần không đồng 19 2.8 2.9 đồ nguyên lý hoạt động sơ đồ vùng lượng Photođiốt PIN Hệ số hấp thụ quang tha đổi theo bước sóng Si, Ge, GaAs vài hợp chất khác 20 21 2.10 Mơ hình tổng qt khuếch đại quang EDFA 23 2.11 Giản đồ lượng ion Er3+ lõi sợi EDFA 24 3.1 Hiện tượng truyền sóng đa đường 30 3.2 Mơ hình tính tốn hệ thống truyền dẫn Coherence 30 3.3 Khối receiver (Mobile Host) 34 4.1 Mô hình tuyến MMW/RoF truy cập quang - vơ tuyến 38 4.2 Quan hệ BER công suất phát với loại sợi khác nhau(LoS) 41 4.3 Quan hệ BER công suất phát với loại sợi khác nhau(NLoS) 42 4.4 Quan hệ BER công suất phát với tần số RF khác nhau-(LoS) 43 4.5 Quan hệ BER công suất phát với tần số RF khác nhau-(NLoS) 44 4.6 Đồ thị BER theo khoảng cách truyền không gian kênh 45 49 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Kết luận Luận văn tìm hiểu thành phần tuyến MMW/RoF truy cập quang - vô tuyến băng tần cao, kết hợp khuếch đại quang EDFA máy thu sử dụng kỹ thuật tách sóng Coherence đồ tuyến xây dựng phân tích mơ hình tính tốn Ngồi ra, kết khảo sát tỉ lệ tín hiệu nhiễu (SNR) tỉ lệ lỗi bit (BER) ứng với nhiều trường hợp tha đổi khác Tán sắc, Tần số, Công suất phát, Công suất dao động nội máy thu Coherence khoảng cách truyền không gian tự kênh truyền không bị che chắn, tầm nhìn thẳng (LoS) kênh truyền bị che chắn NLoS Với nội dung đó, số kết luận từ luận văn cần lưu ý sau:  Máy thu sử dụng phương pháp tách sóng Coherence có ưu điểm vượt trội so với máy thu tác sóng trực tiếp khả nâng cao hiệu độ nhạy thu  Với hệ thống MMW/RoF sử dụng tách sóng Coherence kết hợp khuếch đại EDFA, mơ hình mạng hình thành với khả đủ sức đáp ứng nhu cầu tương lai  Với ưu điểm kết hợp từ kỹ thuật thông tin vô tuyến thông tin sợi quang, hệ thống MMW/RoF ứng dụng rộng rãi vào thực tiễn sở để xây dựng nên hệ mạng di động thứ 5(5G) Hướng phát triển đề tài Do thời gian hạn hẹp kiến thức chuyên sâu tác giả lĩnh vực nà chưa nhiều nên đề tài chưa thể trình bày hết nội dung hệ thốngMMW/ROF mô phần mềm Matlab chưa đưa vào mô thực tế Một số hướng nghiên cứu sau đâ đề xuất để tiếp tục phát triển để tài sau: - Nghiên cứu giải pháp nhằm nâng cao chất lượng tuyến để dùng tần số cao chưa khai thác thực tiễn - Khảo sát vị trí đặt khuếch đại EDFA để mang lại độ lợi tốt nhằm tăng khoảng cách truyền dẫn đảm bảo tỉ lệ lỗi bit BER nằm khoảng cho phép - Khảo sát tăng số lượng anten phát thu để tăng khoảng cách truyền sóng nhằm nâng cao vùng phủ để thiết bị di động xem sử dụng nội dung số chất lượng cao theo thời gian thực 50 Cuối cùng, tác giả mong nhận giúp đỡ đóng góp ý kiến tất thầy côtrong hội đồng bảo vệ bạn quan tâm để luận văn hoànthiện TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] [2] Tăng Tấn Chiến (2013), Giáo trình thông tin sợi quang, Đà Nẵng Nguyễn Văn Tuấn, Hồ Thanh Bình (2016), Nâng cao chất lượng hệ thống truyền dẫn tín hiệu thơng tin di động qua sợi quang (RoF) đất liền đảo Việt Nam, Đại học Bách khoa Đà Nẵng, Trung tâm hạ tầng mạng Miền Trung VNPT Net-3 Tiếng Anh [3] [4] [5] Tuan Ngu en Van, Vu Le Tuan, Khoa Ho Van “Investigating Performance of Radio over Fiber Communication System using different silica–doped materials, EDFA and Coherent Receiver”, The 2013 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC'13) Tuan Nguyen Van, Tung Ton That Thanh, “ tud on Performance of Digitized Radio over Fiber (RoF) System using EDFA and Coherent Receive”, IEEE-RIFV2013 No: November 2013 Pages 91-96 Year 2013 Thu A.Pham, Hien T.T.Pham, Hai-Chau Le, Ngoc T Dang, “Performance Analysis of MMW/RoF Link in Broadband Optical-Wireless Access Networks”,IEEE,Posts and Telecommunications Institute of Technolog Hanoi City, Vietnam Computer Communications Lab, The University of [6] [7] [8] [9] Aizu, Aizu-wakamatsu City,Japan Thu A Pham, Hai Chau Le, Lam T Vu, Ngoc T Dang “Performance Analysis Of Gigabit-Capable Radio Access Networks Exploiting TWDM-PON And ROF Technologies” 2016 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC) 2016 Q Jian, S Xuemin, W M Jon, S Qinghua, H Yejun, and L Lei, “Enabling Device-to-Device Communications in Millimeter-Wave 5G Cellular Networks,” IEEE Communications Magazine, vol 53, pp 209 – 215, 2015 PGS.TS Nguyễn Văn Tuấn, “Thông tin sợi quang” Nhà xuất Giáo dục Việt Nam, năm 2010 Z.Ghassemlooy,W.Popoola, Rajhandari “Optical wireless communications: System and channel Modelling with Matlab”.CRC Press Ta lor and Francis Group 2013 [10] Yong Niu, Yong Li, Depeng Jin, Li u1, Athanasios V Vasilakos “A surve of millimeter wave communications (mmWave) for 5G: opportunities and challenges”, pringer cience+Business Media New York 2015 [11] Ming Zhu, Liang Zhang, Jing Wang, Lin Cheng, Cheng Liu, and GeeKung Chang, “Radio-Over-Fiber access architecture for integrated broadband wireless services”, IEEE/O A J Lightw Technol., vol 31, no 23, pp 3614 – 3620, Dec 2013 ... tác giả thực đề tài: ? ?Khảo sát đặc tính tuyến MMW/ RoF mạng truy cập quangvô tuyến? ?? Mục tiêu nghiên cứu - Khảo sát đặc tính tuyến MMW/ RoF đa tru cập quang - vô tuyến - Khảo sát kỹ thuật xử lý tín... KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA TUYẾN MMW/ RoF TRONG MẠNG TRUY CẬP QUANG- VÔ TUYẾN BẰNG MATLAB 4.1 Giới thiệu chương Chương nà tập trung: - Khảo sát đặc tính tuyến MMW/ RoF mạng truy cập quang - vô tuyến sử... hình tính tốn tuyến MMW/ RoF truy cập quang- vơ tuyến Hình 4.1 Mơ hình tuyến MMW/ RoF truy cập quang- vơ tuyến Hình vẽ 4.1 mơ tả mơ hình tuyến MMW/ RoF truy cập quang - vơ tuyến sử dụng khuếch đại quang