Với những đặc điểm và tính chất đã được phân tích ở trên, công nghệ FSO có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong các mạng truy nhập và các mạng đô thị, khi khoảng cách từ hầu hết những người sử dụng đầu cuối đến các mạng xương sống là ngắn - chỉ vào khoảng 1 vài km trở lại, thì công nghệ FSO có thể là giải pháp lý tưởng cho vấn đề “nút thắt cổ chai”, đóng vai trò như là cầu nối giữa mạng cáp quang xương sống và người sử dụng đ ầu cuối. Dưới đây là một số lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu của FSO:
- Kết nối tốc độ cao giữa các tòa nhà: Hiện nay, các doanh nghiệp đang gặp phải vấn đề quá tải lưu lượng mạng tại các kết nối giữa các tòa nhà. Với các doanh nghiệp sử dụng các mạng nội bộ dựa trên tiêu chuẩn Gigabit Ethernet, các kết nối 2.048 (hoặc 1.544) Mbit/s giữa các tòa nhà sẽ làm hạn chế lưu lượng kết nối. Trong khi đó, các doanh nghiệp với yêu cầu số liệu lớn mong muốn truyền dẫn dung lượng cao giữa các trụ sở doanh nghiệp mà không sử dụng các kết nối sợi quang chi phí cao. Việc lắp đặt sợi quang cũng phức tạp và tốn thời gian hơn. Ngoài ra, việc xin cấp phép, vấn đề an ninh, đào rãnh, đ ặt cáp và yêu c ầu về môi trường cũng là các vấn đề trở ngại. Để loại bỏ các vấn đề trở ngại trên và tăng lưu lượng kết nối, các
21
doanh nghiệp có các tòa nhà nằm trong tầm nhìn thẳng chuyển sang sử dụng các giải pháp FSO.
Hình 1.7: Kết nối tốc độ cao giữa các tòa nhà
- Dùng trong các mạng tế bào: Công nghệ FSO cung cấp một băng thông lớn, không yêu c ầu sự cấp phép nào, cho phép nhà điều hành mạng triển khai mạng nhanh chóng với giá thành thấp, do đó công nghệ FSO có thể được sử dụng làm đường truyền dẫn backhaul giữa các trạm gốc (BS) và các trung tâm chuyển mạch (switching centres) trong mạng thông tin di động 3G, 4G.
- Ứng dụng ở những nơi địa hình khó khăn: Công nghệ FSO là một giải pháp tốt để dùng làm cầu nối về dữ liệu qua những khoảng cách như là vượt qua một con sông, qua một đường phố rất đông đúc, qua đường ray xe lửa hoặc nhưng nơi mà đường nối trực tiếp là không thể thực hiện được hoặc quá đắt để thực hiện
- Truyền hình với độ nét cao (HD): Do yêu cầu khổng lồ về băng thông c ủa máy quay độ nét cao và tín hiệu truyền hình với độ nét cao (HD), công nghệ FSO ngày càng được sử dụng nhiều ở ngành công nghiệp truyền hình dùng để truyền tín hiệu trực tiếp từ máy quay HD ở các trạm di động tới trung tâm truyền hình (Truyền hình trực tiếp).
- Tổ chức các mạng thông tin băng rộng tốc độ cao cho các hoạt động dưới nước: Phục vụ cho tàu biển, tàu ngầm, nghiên cứu đại dương, tìm kiếm cứu
22
nạn,…là một nhu cầu công việc rất cần thiết phục vụ tốt cho các ho ạt động trên biển kể cả quân sự và dân sự.
- Tổ chức mạng thông tin băng rộng trên các vệ tinh vũ trụ:
1.7 Kết luận Chƣơng I
Nội dung Chương I đã giới thiệu khái quát về hệ thống thông tin vô tuyến quang cũng như mô hình c ủa hệ thống FSO, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống, ưu – nhược điểm cũng như các ứng dụng trong thực tế của công nghệ FSO. Tương lai ngày càng đòi hỏi phải có các giải pháp truyền dẫn tốc độ cao để đáp ứng yêu cầu của các doanh nghiêp, tổ chức và cá nhân. Các giải pháp cũng cần phải có chi phí hiệu quả, triển khai nhanh, truyền dẫn thông tin một cách an toàn và tin cậy. FSO có thể đáp ứng các yêu cầu này và sẽ được sử dụng ngày càng nhiều trong tương lai. Tuy nhiên, do ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn, khả năng ứng dụng của FSO vẫn bị giới hạn trong các ứng dụng với cự ly truyền thông ngắn.
23
CHƢƠNG II KÊNH TRUYỀN VÀ
MÔ HÌNH KÊNH NHIỄU LOẠN KHÔNG KHÍ
FSO là hệ thống thông tin không dây với môi trường truyền dẫn đa dạng, có thể trong không gian vũ trụ, trong không khí (khí quyển), dưới nước…Tuy nhiên, các hệ thống FSO chủ yếu được sử dụng trong môi trường không khí. Vì thế mà kênh truyền ở đây được hiểu là kênh truyền trong môi trường không khí. Tia bức xạ quang đi qua kênh truyền không khí chịu nhiều ảnh hưởng của các hiện tượng như nhiễu loạn không khí, các điều kiện thời tiết…vân vân.
2.1. Giới thiệuvề nhiễu loạn không khí
Nhiễu loạn không khí là vấn đề gây ảnh hưởng lớn nhất đến hoạt động của một tuyến thông tin vô tuyến quang. Nguyên nhân gây nên nhiễu loạn không khí được giải thích như sau: Bức xạ mặt trời bị hấp thụ bởi bề mặt trái đất làm cho lớp không khí gần bề mặt trái đất ấm hơn lớp không khí ở trên cao. Lớp không khí có nhiệt độ cao hơn ở dưới trở nên nhẹ hơn ( vì mật độ giảm đi do giãn nở) bay lên và hòa trộn một cách hỗn lo ạn với lớp không khí lạnh hơn ở trên cao gây nên hiện tượng nhiệt độ của không khí bị dao động một cách ngẫu nhiên. Sự không đồng nhất về nhiệt độ và áp suất này gây nên sự thay đổi một cách ngẫu nhiên về chiết suất của các lớp không khí. Hiên tượng này này gọi là sự nhiễu loạn không khí.
Gió làm dịch chuyển không khí có thể gây ra dịch chuyển trọng tâm của chùm tia, nhưng về bản chất gió không làm thay đổi ngẫu nhiên chùm tia laser như sự nhiễu loạn. Gió và sự không đồng nhất của nhiệt độ và áp suất tạo ra những xoáy lốc, những ô nhỏ hay những túi khí có kích thước thay đổi từ 0,1 cm đến 10 m, dẫn tới sự thay đổi nhanh chỉ số khúc xạ, đó cũng là nguyên nhân gây ra sự nhiễu loạn. Các túi khí này đóng vai trò như những thấu kính có đặc tính thay đổi theo thời gian. Sự lan truyền của ánh sáng trong không gian theo đó sẽ bị lệch hướng một phần hay lệch hướng hoàn toàn là phụ thuộc vào mối quan hệ giữa kích thước của chùm sáng phát ra và mức độ không đồng nhất của nhiệt độ.
24
Nhiễu loạn không khí dẫn tới sự thay đổi ngẫu nhiên của chỉ số khúc xạ không khí, dọc theo tuyến đường truyền dẫn của bức xạ quang qua môi trường không khí. Những sự thay đổi ngẫu nhiên về nhiệt độ là một hàm c ủa áp suất khí quyển, độ cao so với mặt nước biển, và tốc độ gió. Các xoáy lốc yếu dạng thấu kính được mô tả như trong Hình 2.1, gây ra tác động xuyên nhiễu ngẫu nhiên giữa các vùng khác nhau của búp sóng truyền dẫn làm cho dạng sóng bị biến dạng.
Hình 2.1: Ảnh hưởng của kênh truyền lên tín hiệu
Nhiễu loạn khí quyển bao gồm nhiều khu vực dòng xoáy hình c ầu với đường kính và chỉ số khúc xạ khác nhau. Các chùm tia quang truyền qua khí quyển ở không gian và thời gian khác nhau với chiết suất khác nhau, các chỉ số này không đồng nhất ở các quy mô khác nhau. Sự không đồng nhất với quy mô lớn sẽ tạo ra hiện tượng khúc xạ khiến chùm tia phát đi lệch so với hướng truyền ban đầu. Do đó, ở quy mô lớn thì hiệu ứng chủ yếu là làm sai lệch pha của sóng truyền đi. Sự không đồng nhất với quy mô nhỏ tao ra hiệu ứng nhiễu xạ và làm sai lệch biên độ của sóng gây ra sự biến thiên của biên độ.
Các tác động rõ ràng nhất mà nhiễu loạn không khí tác động lên hệ thống FSO có thể kể đến như:
- Độ lệch của dạng búp sóng phụ thuộc vào thời gian.
- Lệch hướng trọng tâm của búp sóng.
- Sự tăng lên của độ rộng bước sóng vượt quá dự kiến do sự nhiễu xạ.
25
- Sự đứt gãy của búp sóng thành các phần riêng biệt.
Trong phần này, những mô hình miêu tả hàm mật độ xác suất của sự biến động bức xạ được đưa ra. Bởi vì sự cực kỳ phức tạp trong việc mô hình hóa nhiễu loạn không khí, chưa có một mô hình nào có thể được sự dụng cho tất cả các điều kiện nhiễu loạn không khí đã được liệt kê ở trên. Chính vì vậy có ba mô hình nhiễu loạn không khí được sử dụng và công nhận rộng rãi nhất. Đó là ba mô hình log- normal, gamma-gamma, và mô hình mũ âm. Các mô hình này l ần lượt được ứng dụng trong các điều kiện nhiễu loạn yếu, nhiễu loạn trung bình đến mạnh, và nhiễu loạn bão hòa.
2.2. Suy hao trong FSO
Khi một bức xạ quang đi qua bầu khí quyển, các photon bị biến mất (hấp thụ) do các thành phần như hơi nước, khí CO2, sương mù, tầng Ozon…, và năng lượng chuyển thành nhiệt năng, trong khi đó các thành phần khác đi qua không mất mát năng lượng nhưng hướng truyền lan ban đầu của chúng bị thay đổi (tán xạ). Sự lan truyền của một trường quang qua bầu khí quyển được mô tả bởi định luật Beer – Lambert. Chùm sáng còn bị trải rộng trong khi truyền do đó kích thước chùm sáng nhận được là lớn hơn so với kích thước bộ thu. Các yếu tố này được kết hợp với các ảnh hưởng khác sẽ được đề cập sau đây gây ra sự khác nhau giữa công suất phát ra và công suất thu được.
2.2.1. Suy hao do kênh truyền không khí .
Kênh truyền dẫn quang khác so với kênh nhiễu Gauss thông thường, tín hiệu đầu vào của kênh, x(t), thể hiện công suất chứ không phải là biên độ. Điều này dẫn tới hai điều kiện ràng buộc trên tín hiệu được truyền:
- x(t) phải không âm
- Giá trị trung bình của x(t) không được vượt quá một giá trị quy định.
Kênh truyền khí quyển bao gồm các loại khí và một loại hạt vật chất siêu nhỏ có trong khí quyển được liệt kê trong bảng (bảng 1.3). Sự phân bố của các loại khí
26
này có ảnh hưởng khá lớn tới điều kiện nhiễu loạn của kênh truyền. Với sự phân bố về kích thước của các dải thành phần khí quyển từ micromet tới centimet, một trường quang đi qua khí quyển sẽ bị tán xạ hoặc hấp thụ và gây ra suy hao.
Suy hao khi truyền tín hiệu trong bầu khí quyển là hệ quả của quá trình hấp thụ và tán xạ. Nồng độ của vật chất trong khí quyển gây ra việc suy hao tín hiệu khác nhau theo không gian và thời gian, và sẽ phụ thuộc vào điều kiện thời tiết của từng vùng.
a) Hấp thụ - xảy ra khi có một sự tương tác giữa các photon và các phần tử khí trong quá trình truyền lan trong khí quyển. Một số photon bị hấp thụ và năng lượng của chúng biến thành nhiệt. Hệ số hấp thụ phụ thuộc rất nhiều vào các lo ại khí và mật độ của chúng. Sự hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng và do đó có tính chọn lọc. Điều này dẫn tới bầu không khí có các vùng trong suốt ( dải bước sóng có độ hấp thụ tối thiểu ) được xem như là c ửa sổ truyền. Mặt khác các tính chất vật lý c ủa bầu không khí là không thể thay đổi,do đó các bước sóng sử dụng trong FSO về cơ bản được chọn để trùng với các cửa sổ truyền lan trong không khí, kết quả là hệ số suy hao được chi phối bởi sự tán xạ.
b) Tán xạ - là kết quả của việc phân bố lại góc trường quang khi có và không
có sự thay đổi bước sóng. Ảnh hưởng của tán xạ phụ thuộc vào bán kính r của các
hạt (sương mù, hơi nước) gặp phải trong quá trình truyền lan. Một cách mô tả hiện
tượng này là xét tham số kích cỡ x0 =2π
λ . Nếu x0 «1 thì tán xạ là tán xạ Rayleigh,
nếu x0 ≈1 là tán xạ Mie và nếu x0 »1 thì tán xạ có thể thuộc loại khác (quang hình
học). Quá trình tán xạ đối với các hạt khác nhau có mặt trong bầu khí quyển được tóm tắt trong bảng 2.1.
27
Bảng 2.1: Bán kính và quá trình tán xạ của các hạt tán xạ điển hình có trong không khí tại λ= 850 nm
Kiểu Bán kính (um) Kích cỡ tham số x0 Quá trình tán xạ
Phần tử khí 0.0001 0.00074 Rayleigh Hạt bụi 0.01-1 0.074-7.4 Rayleigh-Mie Hạt sương 1-20 7.4-147.8 Mie- Hình học Mưa 100-10000 740-74000 Hình học Tuyết 1000-5000 7400-37000 Hình học Mưa đá 5000-50000 37000-370000 Hình học
2.2.2. Suy hao do chùm tia bị phân kỳ.
Một trong những ưu điểm chính của hệ thống FSO là khả năng truyền tải thông tin trên chùm tia quang học với dải sáng rất hẹp do đó đảm bảo tính bảo mật, tuy nhiên do tác động của hiện tượng nhiễu xạ, chùm tia bị trải rộng ra. Kết quả là tại phía thu chỉ thu được một phần của chùm tia ban đầu.
28
2.2.3 Các yếu tố suy hao khác.
Bên c ạnh các yếu tố suy hao nói trên hệ thống FSO còn chịu suy hao từ sự không hoàn hảo của thấu kính và các thiết bị quang học khác được sử dụng trong cả bộ thu và phát. Giá trị của sự tổn thất này phụ thuộc vào đặc tính của thiết bị và chất lượng của ống kính được sử dụng và được quy định bởi nhà sản xuất. Thông thường tổn thất vào khoảng từ 3-4%.
Ngoài ra phải kể đến suy hao phát sinh do sự liên kết thiếu hoàn hảo giữa máy phát và máy thu – còn được biết đến như là lỗi lệch hướng thu phát. Nguyên nhân có thể do việc xây dựng,sự giãn nở hay sự giao động c ủa các tòa nhà, hay việc thiết lập ho ặc ảnh hưởng của gió tác động tới đường truyền FSO. Đối với liên kết FSO phạm vị ngắn (<1km) thì lỗi này có thể được bỏ qua, tuy nhiên sẽ phải tính đến nếu khoảng cách truyền dẫn lớn hơn.
2.3. Kênh truyền nhiễu loạn không khí
Nhiễu loạn không khí gây nên s ự dao động ngẫu nhiên về chiết suất không khí trên quãng đường truyền của bức xạ quang qua không khí. Sự thay đổi ngẫu nhiên này phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, độ cao và tốc độ gió. Mối quan hệ giữa nhiệt độ và chiết suất không khí được thể hiện bởi phương trình:
3 2 6 1 77.6(1 7.52 10 ) 10 e P n T l - - - = + + ´ ´ (2.1) Trong phương trình trên, ảnh hưởng của độ ẩm tới chiết suất không khí không được xét đến bởi vì ảnh hưởng này có thể bỏ qua đối với các bước sóng quang. Trong khi đó, trong hầu hết các ứng dụng về kỹ thuât, tốc độ thay đổi của chiết suất không khí so với nhiệt độ được thể hiện bởi phương trình sau:
5 2 7.8 10 e e dn P dT T - - = ´ (2.2) Trong đó:
29
- P là áp suât khí quyển (mBar),
- Te là nhiệt độ khí quyển (K),
- λ là bước sóng (um).
Với độ cao gần mực nước biển, tốc độ thay đổi của chiết suất không khí so với nhiệt độ có thể lấy sấp xỉ: 6 10 e dn dT - - » K-1 (2.3)
Chiết suất không khí phụ thuộc vào vị trí và thời gian được ký hiệu bởi n(r,t). Chiết suất có thể được tính như là tổng của giá trị chiết suất trong không gian tự do khi không có nhiễu loạn không không khí n0, và thành phần dao động ngẫu nhiên phụ thuộc vào nhiễu loạn không khí n1(r,t). Chính vì vậy, ta có:
0 1
( , ) ( , )
n r t =n +n r t (2.4) Theo như giả thiết của Taylor về sự biến động theo thời gian của chiết suất không khí dưới tác động của gió, công thức (2.4) được biến đổi thành:
1( , ) 1( ).
n r t =n r vt- (2.5)
Trong đó, v(r) là tốc độ của thành phần gió vuông góc với hướng truyền của
bức xạ quang. Trong nhiễu loạn không khí, một tham số quan trọng thể hiện cường