2.3.1. Tham số ảnh hưởng đến chất lượng của tuyến truyền
2.3.1.1. Phương trình của tuyến truyền
Phương trình truyền của hệ thống quang không dây ở dạng đơn giản (bỏ qua hiệu suất quang máy phát, nhiễu máy thu, ...):
Preceived = Ptransmit .
( . ) .exp(- .Range)
Trong đó:
- Areceiver là diện tích mặt máy thu (m2). - Div là góc phân kì của chùm tia (radian). - là hệ số suy giảm không khí (1/Km) - Ptransmit là công suất máy phát (W).
- exp(- .Range) là hàm mũ cơ số e của tích hệ số suy giảm và khoảng cách.
26
Công suất thu tỉ lệ thuận với công suất phát và diện tích miệng thu. Tỉ lệ nghịch với bình phương của tích góc phân kì chùm tia và khoảng cách truyền. Tỉ lệ nghịch với hàm mũ của hệ số suy giảm không khí và khảng cách
Nhìn vào phương trình những biến có thể thay thay đổi được là: công suất phát, kích thước miệng thu, góc phân kì chùm tia và khoảng cách. Hệ số suy giảm thì không thể điều khiển được, phụ thuộc điều kiện môi trường bên ngoài và có thể độc lập với bước sóng trong môi suy hao nghiêm trọng.
Nhận thấy công suất thu phụ thuộc rất lớn vào tích hệ số suy giảm và khoảng cách.
Điều đó có nghĩa là trong những điều kiện thời tiết xấu, dù người thiết kế có tăng công suất phát, kích thước miệng thu, lắp đặt chùm tia rất hẹp thì công suất thu vẫn không thay đổi. Chỉ có một tham số thay đổi được là khoảng cách, nó phải đủ ngắn để đảm bảo hệ số suy giảm không chiếm chủ yếu trong phương trình.
Qua phần này ta thấy sự ảnh hưởng lớn của hệ số suy giảm trong môi trường thời tiết xấu trong phương trình truyền so các đại lượng khác. Tuy nhiên, ta có thể đạt được những thiết kế hiệu quả, tối ưu, hoạt động tin cậy và kinh tế dưới những ràng buộc này.
2.3.1.2. Độ suy giảm của không khí
Tham số ảnh hưởng đến chất lượng đường truyền chủ yếu là sự suy hao không khí. Ta đi phân tích ảnh hưởng của tham số này.
Sự suy giảm công suất laser khi qua môi trường không khí được định nghĩa theo định luật Beers-Lambert:
(R) = ( )
( ) =
Trong đó:
- (R) là hàm truyền ở khoảng cách R. - P(R) là công suất ở R.
27
- là hệ số suy giảm (1/Km)
Những hệ số suy giảm thường gặp : không khí khô = 0.1 (0.43dB/Km), bụi mù= 1 (4.3dB/Km) và sương mù =10 (43dB/Km).
Hệ số suy giảm tạo nên từ sự hấp thụ và tán xạ các photon laser của các phân tử khí trong không khí. Vì các bước sóng thường được lựa chọn để sử dụng (785 nm, 850 nm, 1550nm) nằm trong vùng cữa sổ truyền nên ảnh hưởng hệ số hấp thụ nhỏ so với tổng suy hao. Do đó, ảnh hưởng của hệ số suy giảm do tán xạ đường truyền gây ra là chủ yếu.
Loại tán xạ được xác định bởi kích thước hạt cụ thể so với bước sóng truyền. Nó được mô tả bởi số kích thước gọi là tham số kích thước α:
= Trong đó:
- r là bán kính hạt tán xạ. - là bước sóng laser.
Bảng sau thể hiện bán kính của hạt tán xạ trong không khí và tham số kích thước tương ứng của bước sóng laser 785nm và 1550nm.
28
2.3.2. Tham số đánh giá chất lượng cúa tuyến
2.3.2.1. Khả năng sử dụng tuyến
Khả năng sử dụng tuyến là yếu tố then chốt được xem xét khi lắp đặt hệ thống. Chịu sự ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố:
Độ tin cậy của thiết bị. Yếu tố này có thể đảm bảo chắc chắn bằng lựa chọn, tính toán, thiết kế.
Số liệu thống kê độ suy giảm không khí là yếu tố chưa biết. Nó được thu thập thông qua những thiết bị chuyên dụng như thiết bị đo tầm nhìn, lượng mưa… Những thiết bị này thường được lắp đặt cùng hệ thống quang không gian. Từ số liệu của những thiết bị này, ta mới tính toán được hệ số suy giảm không khí. Và ta có thể ước lượng được chính xác khả năng sử dụng tuyến trên một khoảng cách đường truyền.
2.3.2.2. Tỉ lệ lỗi bit BER và tốc độ dữ liệu trên khoảng cách truyền
Ta xét ảnh hưởng của sương mù dựa trên khoảng tầm nhìn qua ví dụ trong hình sau. Tòa nhà phía xa cách tòa nhà được chụp ảnh khoảng 300m. Bức hình bên trái thể hiện không khí khô, hệ số suy hao khoảng 6.5dB/Km (tầm nhìn 2000m ) được đo thông qua dụng cụ nephelometer gắn trên máy chụp ảnh. Suốt quá trình sương mù, hệ số suy hao được đo khoảng 150dB/Km (tầm nhìn khoảng 113m ) được thể hiện trong bức hình ở giữa, tòa nhà vẫn còn nhìn thấy. Ở bức hình bên phải, hệ số suy hao là 225dB/Km (tầm nhìn khoảng 75m) và tòa nhà hoàn toàn mất hút.
29
Đối với hệ thống thông tin quang không dây, ta cần quan tâm đến tỉ lệ lỗi bit BER trên khoảng cách và tốc độ dữ liệu trên khoảng cách. Hệ thống thông tin cáp quang thì đặc tính kênh truyền được biết rất rõ còn hệ thống quang không dây rất khó trong việc mô hình kênh truyền. Nó phải sử dụng lý thuyết thống kê để tính toán. Và đặc tính kênh này tác động lên hệ số BER trong chuỗi bit truyền.
Hình 14. Hệ số BER trên khoảng cách ở 1,25Gb/s.
Hình 15. Tốc độ dữ liệu trên khoảng cách
Hình trên cho thấy tốc độ dữ liệu giảm xuống từ 1,25Gb/s đến 100Mb/s nhưng khoảng cách tăng thêm được 30m.
Vậy trong những điều kiện thời tiết khác nhau, thiết kế tốt nhất cho hệ thống quang không gian là đẩy những tham số (tốc độ và tỉ số BER) tới giới hạn của nó, việc giảm giá trị những yếu tố này không có ý nghĩa trong việc tăng khoảng cách.
30
2.3.3. Tham số nâng cao chất lượng của tuyến
2.3.3.1. Hệ thống bám đuổi
Trong hệ thống thông tin quang không gian thì cần thiết có hệ thống bám đuổi quang. Nhằm khắc phục ảnh hưởng lệch chùm tia ở phía thu. Vì:
Như biểu thức tuyến cho thấy công suất thu tỉ lệ nghịch với bình phương độ trải rộng chùm tia ở phía thu. Sự trải rộng chùm tia tăng gấp đôi thay đổi biên của hệ thống 6dB.
Biên tuyến hệ thống thăng gián bởi sự không chính xác trong lắp đặt theo thời gian.
Do đó, cần một phần cứng điều khiển bộ phát laser hoặc sử dụng bộ phát tạo độ trải chùm tia đủ lớn để bù sự lay động của tòa nhà đặt hệ thống.
2.3.3.2. Điều khiển công suất laser
Độ tin cậy của laser là điều đáng quan tâm đối với hệ thống quang không gian mà cần có thời gian giữa hai lần sai hỏng là 8 năm hoặc hơn. Hai yếu tố ảnh hưởng đến thời gian sống của laser diode bán dẫn là:
Nhiệt độ hoạt động trung bình của diode. Với diode laser AlGaAs, năng lượng hoạt động là 0.65eV, có thời gian sống tăng hai lần khi nhiệt độ giảm 10oC.
Hình 16. Thời gian sống của diode tăng theo nhiệt độ.
31
Hình 17. Thời gian sống của diode tăng theo nhiệt độ.
Xét thấy yếu tố nhiệt độ là không thể điều khiển trong hệ thống ngoài trời nên để tăng thời gian sống cho thiết bị phát ta cần điều khiển công suất ra tự động. Vì phần lớn thời gian tuyến hoạt động trong môi trường không khí khô nên có thể giảm công suất phát của laser. Những hệ thống mà không có sự điều khiển công suất sẽ khó đạt được thời gian sống mong muốn.
2.4. Lựa chọn tần số
Ánh sáng 800 nm nằm gần vùng hồng ngoại nên không nhìn thấy được. Luồng ánh sáng trong vùng này đi vào mắt sẽ được tập trung với hệ số 100.000 lần nên khi chạm vào võng mạc sẽ gây nguy hiểm. Và nguy hiểm hơn khi võng mạc không có cảm giác đau. Nhưng luồng quang ở bước sóng 1550 nm bị hấp thụ ở giác mạc và thủy tinh thể và không hội tụ tại võng mạc. Vậy tốt hơn nên chọn sử dụng bước sóng gần 1550 nm vì độ an toàn cho mắt sẽ cao hơn 50 lần so với 40 khi chọn bước sóng 800 nm. Ngoài ra công suất sử dụng cho phép sẽ cao hơn cũng là 1 ưu điểm nhưng ngược lại là sự ảnh hưởng tới các hiệu suất hoạt động khác.
Những bước sóng thường dùng trong kĩ thuật thông tin quang không dây nằm trong giải từ 750nm đến 1600nm. Đặc điểm vật lý của công suất truyền qua không khí tương tự như những bước sóng nằm trong dải nhìn thấy. Nhưng có những yếu tố ảnh hưởng đến sự lựa chọn này.
32
2.4.1. Ảnh hưởng của sự suy giảm không khí tới bước sóng
Mặc dù, không khí được xem như trong suốt ở những ánh sáng nhìn thấy nhưng những bước sóng trong dải 750nm đến 1600nm chịu sự hấp thụ của nước (một phần không thể thiếu trong không khí thậm chí ở điều kiện thời tiết khô).
Sự hấp thụ của các loại khí ( Cox,Nox..) cũng đóng góp tạo nên sự suy giảm của tín hiệu. Tuy nhiên, ảnh hưởng của nó có thể bỏ qua ở những bước sóng dài(>2000nm).
Trong điều kiện sương mù, mưa nặng hạt…ảnh hưởng của tán xạ Mie do những hạt nước nhỏ trong không khí sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự truyền sóng. Đây là sự suy giảm chủ yếu so với những điều kiện thời tiết khác và tác động như nhau đến tất cả dải bước sóng.
2.4.2. Thiết bị thu phát
780nm-850nm: Một số nhà sản xuất đã cung cấp nguồn laser công suất cao hoạt động trong vùng này. Các thiết bị laser phát bước sóng 780nm này rẻ tiền, luôn có trên thị trường và có tuổi thọ cao khi hoạt động ở công suất lớn. Ở bước sóng 850nm, laser rất tin cậy và đặc biệt nó thường được dùng trong mạng quang. Các máy thu APD là laser phát bề mặt tiên tiến (VCSEL) cũng được sản xuất làm việc ở bước sóng này.
1520nm-1600nm: Những bước sóng này thích hợp cho việc truyền qua không gian. Những thành phần thu và phát luôn sẵn sàng. Và kết hợp đặc điểm suy hao thấp tạo ra sự phát triển hệ thống WDM-FSO khả thi hơn. Tuy nhiên, những thiết bị này đắt hơn và máy thu có độ nhạy thấp hơn khi so với APD photodiode bước sóng 850nm.
Những bước sóng này được sử dụng trong hệ thống cáp quang nhằm giảm giá thành. Đồng thời, tăng khả năng hoạt động những thiết bị hoạt động ở dải này. Hơn nữa những bước sóng này phù hợp với công nghệ EDFA (khếch đại quang), rất quan trọng cho công suất cao ( >500mW ) và tốc độ cao ( >2.5GHz ).
33
2.4.3. Sự an toàn với mắt người
Khi lắp đặt hệ thống thông tin quang không dây, thiết bị phát tạo ra những chùm laser vào những khu vực có người sinh sống nên đảm bảo an toàn cho mắt người trở nên quan trọng. Vì đặc tính mắt người khá khác nhau đối với hai khoảng bước sóng quang chiếm ưu thế nên việc xem xét an toàn cho mắt đóng một vai trò quang trọng trong toàn bộ việc phát triển thương mại.
Những hệ thống chúng ta hoạt động ở hai bước sóng 800 nm và 1550 nm. Những chùm laser ở 800nm nằm gần vùng hồng ngoại, không giống như những ánh sáng thấy được, nó vượt qua vùng giác mạc và thủy tinh thể và được hội tụ thành một vết nhỏ trên võng mạc. Những bước sóng trong vùng nhìn thấy và vùng gần hồng ngoại nằm từ 400 nm tới 1400 nm. Chùm ánh sáng chuẩn trực xâm nhập vào mắt, ở vùng bước sóng nguy hiểm cho võng mạc, sẽ được tập trung 100.000 lần khi nó đập vào võng mạc. Vì võng mạc không có cảm giác đau và ánh sáng không nhìn thấy không gây nháy mắt ở 800nm nên võng mạc có thể bị hủy hoại trước khi nạn nhân nhận thức được. Tương phản với trường hợp trên, chùm laser 1550nm bị hấp thụ bởi giác mạc và thủy tinh thể nên nó không hội tụ trên võng mạc.
Có thể thiết kế để bộ phát an toàn cho mắt ở cả hai bước sóng 800 nm và 1550 nm. Nhưng do điều kiện kiện sinh lý của mắt người, nên công suất laser an toàn có thể chấp nhận ở 1550 nm lớn hơn khoảng 50 lần khi dùng 800 nm. Hệ số 50 này có ý nghĩa đối với những người thiết kế hệ thống bởi vì thêm công suất phát cho phép hệ thống truyến được qua khoảng cách dài hơn hoặc qua vùng có sự suy giảm mạnh và hỗ trợ cho tốc độ dữ liệu cao hơn.
2.4.4. Sự thực hiện
Phép đo chủ yếu giá trị của bất kì hệ thống thông tin là nó có thể truyền dữ liệu băng rộng hiệu quả cao qua một tuyến với tỉ lệ lỗi bit BER chấp nhận được hay không, thường là 10-9 hoặc tốt hơn. Như trên ta đã xét, công suất cho phép ở 1550 nm lớn hơn 50 lần so với ở 800 nm. Tuy nhiên các hệ số khác liên quan đến khả năng hoạt động của tuyến cần được xem xét đối với bước sóng này.
34
Thách thức có ý nghĩa nhất đối với những hệ thống quang không dây là sự suy hao do không khí, đặc biệt là sương mù. Trong điều kiện sương mù nhẹ hoặc khói mờ, sự suy giảm chỉ xảy ra ở những bước sóng dài. Vì thế khi thiết kế một tuyến thông tin quang không dây mà khả năng sử dụng từ 99 % đến 99.9 % trong điều kiện sương mù tầm nhìn thấp, không chắc chắn rằng ở 1550 nm thì thuận lợi hơn.
Đặc tính truyền của không khí thuận lợi cho bước sóng ngắn là sự nhiễu xạ. Với cùng đường truyền và diện tích miệng phát, chùm laser bước sóng 1550nm sẽ trải rộng ra hơn so với bước sóng 780nm do đó cường độ nhận được ở đầu thu sẽ thấp hơn ~6dB. Tuy nhiên, điều này không có ý nghĩa trong thực tế khi mà hệ thống quang không dây phải đảm bảo thẳng hàng.
2.5. Kết luận chương
Những vấn đề được trình bày trong chương đã cho thấy hệ thống FSO hoàn toàn có thể thực hiện được. Và ứng dụng của nó là rất hiệu quả trong nhiều đối tương khác nhau như cho các nhà cung cấp dich vụ di đông, mạng MAN thành phố, hay cho các khách hàng trực tiếp muốn có dung lượng truy cập cao.
Tuy hệ thống FSO có nhiều vấn đề về đường truyền, các yêu cầu an toàn cung như khả năng hoạt động trong điều kiện xấu. Nhưng hầu như các yếu tố đều có thể được giải quyết. Nếu chúng ta thiết kế, chon thiết bị và các thông số hợp lí thì sẽ đem lại kết quả khả quan. Chương tiếp theo sẽ trình bày kĩ hơn về các yếu tố cần thiết trong tính toán thiết kế tuyến FSO.
không dây ứng dụng trong điều kiện khí hậu Việt Nam
35
Chương 3: TÍNH TOÁN, TỐI ƯU TUYẾN THÔNG TIN QUANG KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM 3.1. Giới thiệu chương
Chương này trình bày về khí hậu ở Việt Nam, tính toán độ suy hao tuyến FSO thực tế có thể có tại Việt Nam, tính toán độ dự trữ công suất và BER của tuyến FSO, thiết kế và tối ưu tuyến FSO tại Đà Nẵng.
Dựa trên các thông số cho trước như độ nhạy máy thu, khoảng cách tuyến và đặc điểm kênh truyền, xây dựng lưu đồ thuật toán để tính toán, tối ưu công suất phát, tốc độ bit, tỉ lệ lỗi bit BER và bước sóng bằng Matlab.
3.2. Khí hậu Việt Nam
Lãnh thổ Việt Nam nằm trọn trong vùng nhiệt đới, và nằm ở rìa phía Đông Nam của phần châu Á lục địa, giáp với biển Đông nên chịu ảnh hưởng trực tiếp của kiểu khí hậu gió mùa. Hiện tượng khí hậu chủ yếu là mưa, gió, bão.
Việt Nam có ba miền khí hậu chủ yếu, bao gồm: miền khí hậu phía Bắc, miền khí hậu phía Nam, miền khí hậu Trung và Nam Trung Bộ.
Miền Bắc Việt Nam có khí hậu nhiệt đới gió mùa với bốn mùa xuân, hè, thu, đông rõ rệt. Mùa xuân miền Bắc bắt đầu từ tháng 2 cho đến hết gần tháng 4. Mùa hè từ tháng 4 đến tháng 9, vào mùa này thì nhiệt độ trong ngày khá nóng và mưa nhiều. Tháng nóng nhất thường là vào tháng 6. Tháng 5 đến tháng 8 là tháng có mưa nhiều