Xu hướng ứng dụng kỹ thuật OFDM vào trong mạng truy nhập quang

3.2.1. OFDM trong hệ thống RoF

Wimax là kỹ thuật cung vô tuyến cấp một bán kính phủ cho truy nhập băng rộng tốc độ cao có thể so sánh tốc độ dữ liệu với luồng T1, cáp, hay DSL. Wimax cung cấp tốc độ lên đến 75Mbps với vùng phủ lên tới 30 dặm. Wimax là kỹ các đầu cuối người dùng có thể được kết nối sử dụng mạng LAN không dây, Ethernet trong nhà. Nhóm làm việc chịu trách nhiệm về Wimax là 802.16, mà ban đầu phát triển tiêu chuẩn cho vùng phủ từ 10Ghz đến 66Ghz. Vùng tần số này yêu cầu tầm nhìn thằng LOS giữa anten phát và anten thu. Do yêu cầu các anten này cần đặt tại các vị trí cao nên nhóm đã chuyển sang vùng tần số từ2Ghz đến 11Ghz, mà không yêu cầu vềLOS. Vào năm 2004, chuẩn IEEE 802.16-2004 được đưa ra, trong đó hoàn tất việc cốđịnh tần số cho truy nhập không dây. Chuẩn này được biết đến với tên gọi 802.16e.

Để giảm chi phí phát triển và duy trì cho hệ thống Wimax và các mạng không dây khác trong khi vẫn sử dụng ít điện năng tiêu thụ và băng thông rộng, kỹ thuật RoF đã được quan tâm tới như một công nghệ hứa hẹn. Trong hệ thống RoF, sợi quang được sử dụng để phân phối tín hiệu RF từ trạm trung tâm đến các anten điều khiển ở xa. Điểm khác biệt là các sợi đơn mode hay đa mode đều có thể được sử dụng. Các ứng dụng khả thi bao gồm: (1) thiết lập kết nối giữa các trạm chuyển mạch di động MTSO và các BS trong các ô, (2) mở rộng và tăng độ tin cậy bằng các kết nối giữa các trạm BS Wimax và các anten điều khiển xa RAU trong Wimax, (3) mở rộng vùng phủ sóng trong truyền thông UWB. RoF cũng có thể được sử dụng để loại bỏ bớt các cuộc gọi vào vùng chết (như trong hầm, hay ở vùng núi cao) trong hệ thống HFC, và trong FTTH. Kỹ thuật RoF cung cấp nhiều lợi ích với mạng vô tuyến, như suy hao thấp, băng thông rộng, bảo mật đảm bảo, không chịu ảnh hưởng của nhiễu điện từtrường, điện năng tiêu thụ thấp, và dễ dàng thiết lập cũng như bảo trì.

Một ví dụđiển hình về kiểu mạng RoF được chỉra như hình 3.6. Dữ liệu được đưa đến người dùng cuối được tạo ra từ một CS, đối với một tập các sóng mang con OFDM được gán cho các người dùng cụ thể, được truyền qua sợi quang có sử dụng bộ điều chế Mach-Zehnder, và được chuyển đổi sang miền điện bởi bộ thu quang tại BS. Từ BS, tín hiệu được truyền qua một kênh vô tuyến đến người dùng cuối. Một ví dụ về việc truyền dẫn ở đường xuống được chỉ ra trong hình 3.7.

SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp Trang 40

Hình 3.6: Ví dụ một hệ thống RoF

Hình 3.7: Ví dụ về việc truyền dẫn ở đường xuống

Hệ thống RoF có thểđược sử dụng để cải thiện độ tin cậy của mạng Wimax thông qua phân tập truyền bằng cách sử dụng nhiều anten thu như hình 3.8. Đểđáp ứng nhu cầu

tăng nhanh chóng của người dùng, hệ thống 60Ghz đang nhận được nhiều sự quan tâm.

Những hệ thống như trên có thể cung cấp các dịch vụ lên tới tốc độ hàng Gbps. Tuy nhiên, trước khi chuyển sang các hệ thống vô tuyến như vậy thì có một số vấn đề phải giải quyết như sau: (1) do suy hao trên tuyến lớn nên băng tần này chỉ có thể được sử dụng trong một vùng phủ truy nhập vô tuyến nhỏ trong môi trường trong nhà, và (2) do sóng vô tuyến với bước sóng milimet chịu ảnh hưởng nhiều của sự suy giảm này nên các ô vô tuyến chỉ có thể phủ trong một phòng. Để mở rộng vùng phủ, hệ thống RoF sẽ cung

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương III: Kỹ thuật OFDM

SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp Trang 41

cấp một sự thay thế tuyệt vời được chỉ ra như trong hình. CS cung cấp việc kiểm soát truy nhập vô tuyến và xử lý tín hiệu, và nó chuyển tín hiệu vô tuyến một cách thông suốt đến các anten. Tuy nhiên, việc truyền trực tiếp các tín hiệu tần số vô tuyền cao đòi hỏi sử dụng các thiết bị điện – quang tốc độcao. Để tránh vấn đề này, các tín hiệu vô tuyến nói chung sẽ được chuyển đổi xuống tần số trung tần và được truyền qua sợi quang bằng cách điều biến cường độ và tách sóng trực tiếp.

Hình 3.8: Cải thiện vùng phủ sóng WIMAX thông qua việc triển khai các RAU Hệ thống RoF phải có khả năng tạo ra các sóng vô tuyến và cho phép truyền dẫn một cách đáng tin cậy qua đường truyền sợi quang. Trong các kỹ thuật khác nhau, kỹ thuật ghép sóng quang được sử dụng. Nguyên lý của kỹ thuật này dựa trên việc tạo ra các hài sóng bằng phương pháp điều chế trực tiếp đi qua bộ lọc thông dải BPF, như giao thoa kế Mach-Zehnder, và một BPF để chọn được hài mong muốn tại các node đầu xa.

Tín hiệu trong hệ thống RoF bị suy yếu bởi tán sắc đa mode (khi MMF được sử dụng) hoặc tán sắc sắc thể (khi sử dụng SMF), sự không hoàn hảo của các thành phần tại BS, và fading đa đường. Trong hệ thống RoF, các nhà thiết kế hệ thống đã giải quyết không chỉ với fading đa đường mà còn với các hiệu ứng tán sắc trong sợi quang. Bằng cách sử dụng kỹ thuật OFDM, ta có thể khắc phục được tán sắc trong sợi quang nếu khoảng bảo vệ của tín hiệu dài hơn tổng trải trễ. Trong mạng vô tuyến, sốlượng các sóng

mang OFDM được chọn phải có băng thông của mỗi sóng mang nhỏhơn băng thông trực

tiếp của kênh vô tuyến đểđảm bảo mỗi sóng mang con chịu ảnh hưởng của fading phẳng.

Người ta đã nghiên cứu ảnh hưởng của CP đến tán sắc đa mode trong mạng LAN không

dây sử dụng cả tần số 5Ghz và 60Ghz, quan sát trường hợp xấu nhất trên kênh fading Rayleigh vô tuyến (không LOS) với trải trễ 250ns và CP được thiết lập chuẩn là 800ns. Như kỳ vọng, nghiên cứu chỉ ra rằng hệ thống 60Ghz nhạy cảm với tán sắc đa mode hơn hệ thống 5Ghz. Miễn là CP dài hơn tổng trải trễ do tán sắc đa mode và fading kênh vô tuyến đa đường, hiệu năng của cả hai hệ thống đều không bịảnh hướng.

SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp Trang 42

3.2.2. OFDM trong mạng quang thụđộng

OFDM là ứng viên tuyệt vời để sử dụng trong mạng quang thụ động. Hiện nay, PON đang được triển khai để thay thế cáp thông thường trong mạng truy nhập. Với việc sợi quang được sử dụng như một phương tiện truyền dẫn, PON có thể cung cấp băng thông nhiều hơn trong khi vẫn hỗ trợ nhiều dịch vụ truyền thông. PON có sức hấp dẫn trong cả công nghiệp và học thuật. Số lượng các loại PON khác nhau được chuẩn hóa để cung cấp các dịch vụbăng rộng, bao gồm BPON, EPON và GPON.

Một ví dụ về PON được chỉ ra như hình 3.9. Vềcơ bản, PON là giao thức điểm – đa điểm. Để tối giản hóa giá thành hệ thống, tất cả các thành phần được sử dụng giữa OLT và ONU là thụđộng. Các dịch vụkhác nhau như video, voice, truyền dữ liệu có thể được truyền đến các người dùng cuối. Đường dẫn trong hình là hai chiều. Ví dụ, một hệ thống FiOS sử dụng ba bước sóng khác nhau để cung cấp ba dịch vụ: (1) bước sóng 1310nm cho dữ liệu đường lên với tốc độ 155Mbps hoặc 1.2Gbps khi GPON được sử dụng. (2) 1490nm cho dữ liệu đường xuống với tốc độ 622Mbps hoặc 2.4Gbps với GPON, và (3) 1550 nm cho tín hiệu video RF với băng thông 870Mhz. Một OLT có thể hỗ trợ được 32 người dùng,

Hình 3.9: Một mạng quang thụđộng

Các kỹ thuật PON khác nhau đã đã được đề xuất, bao gồm TDM-PON, WDM- PON, SCM-PON, và OCDM-PON. Một ví dụ về mạng quảng bá và lựa chọn WDM- PON được cho như hình. Một loạt các khối WDM của máy phát được sử dụng tại phía OLT. Mỗi ONU tại phía thu sẽ hoạt động với bước sóng riêng của mình, và các loại thiết bịđiện sẽ phụ thuộc vào tốc độ dữ liệu của mỗi ONU riêng biệt. Với đường lên, các ONU khác nhau sẽ sử dụng cùng một kênh bước sóng (tại 1330nm), và TDM được sử dụng để

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương III: Kỹ thuật OFDM

SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp Trang 43

chia sẻ kênh bước sóng này. Các ONU được đồng bộ với OLT bởi các quá trình khác nhau (mỗi ONU đo độ trễ từOLT và điều chỉnh đồng hồ của nó cho phù hợp )

Với tiềm năng vô cùng lớn của mình, (OFDMA)-PON được ủng hộ rất nhiều. TDM-PON gán các khe thời gian khác nhau có các ONU và sử dụng các thuật toán lập lịch phức tạp và các kỹ thuật tạo khung để hỗ trợ các dịch vụ có rất nhiều loại. Trong OCDM-PON, các mã khác nhau được ấn định cho các người dùng khác nhau. Kỹ thuật này cung cấp truyền thông đồng bộ và bảo mật người dùng. Tuy nhiên, các bộ mã hóa và giải mã còn đắt, và do các hàng đợi CDM không trực giao (trong hệ thống IM/DD), nhiễu đa truy nhập và nhiễu thường vẫn còn là những vấn đề quan trọng. Mặt khác, OFDMA là kỹ thuật đa truy nhập mà cho phép ấn định các sóng mang khác nhau cho các người sử dụng khác nhau một cách linh động. Nó đồng thời cũng cho phép phân vùng tài nguyên trong miền tần số và thời gian. Nguyên lý của OFDMA-PON được minh họa trong hình.

OLT ấn định cho mỗi ONU một tập các sóng mang con. Với đường lên, mỗi ONU điều

chỉnh dữ liệu qua tập các sóng mang được ấn định, trong khi hầu hết các sóng mang khác thuộc các ONU khác được thiết lập bằng 0.

Hệ thống OFDMA-PON có nhiều ưu điểm so với các kỹ thuật PON khác: (1) cải thiện hiệu quả sử dụng băng thông (ví dụ 4 bit/symbol/Hz với điều chế 16QAM, và với băng tần 2.5Ghz nó có thể hỗ trợ tốc độ đỉnh 10Gbps); (2) linh hoạt trong việc đối phó với việc chia sẻ băng thông và ảo hóa; (3) giao thức độc lập và dịch vụ thông suốt; (4) OFDMA-PON là một kiến trúc có khả năng mở rộng (cụ thể, nó có thể cùng tồn tại với TDM-PON và WDM-PON); (5) một giải pháp hiệu quả về chi phí; (6) nó có thể vận hành với giao thức điều khiển truy nhập phương tiện đơn giản với cho phí thấp.

3.3. Kết luận

Trong chương này, đồ án đã tìm hiểu những nguyên lý hoạt động cơ bản của OFDM, cùng phân tích mô hình truyền dẫn và các thông số đặc trưng của hệ thống OFDM, phân tích hiệu quả sử dụng phổ tần vượt trội của OFDM, phân tích sự cần thiết của khoảng bảo vệ trong việc chống lại nhiễu ISI do trải trễđa đường của kênh. Từđó rút ra được các ưu điểm vượt trội và nêu lên các nhược điểm còn hạn chế của kỹ thuật này. Cuối cùng là xu hướng ứng dụng kỹ thuật OFDM vào trong mạng truy nhập quang với hai hệ thống điển hình là RoF và PON.

SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp Trang 44

CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG OFDM TRONG MẠNG TRUY NHẬP

QUANG THẾ HỆ SAU

4.1. Kiến trúc một mạng truy nhập quang sử dụng OFDM

Trong chương này, đồ án sẽ cùng tìm hiểu kiến trúc của một mạng truy nhập quang thụđộng (PON) sử dụng kỹ thuật OFDM như hình 4.1.

4.1.1. Máy phát

Dữ liệu nhị phân được đưa qua bộ điều chế số băng gốc để tạo thành các ký hiệu điều chế số. Đầu ra của bộ điều chế là các ký hiệu được biểu diễn dưới dạng phức. Các ký hiệu này được đi qua bộ biến đổi nối tiếp/ song song để chia luồng vào tốc độ cao thành các luồng nhỏ với tốc độ thấp hơn và tốn ít băng thông hơn. Sau đó, luồng tín hiệu

song song được đưa đến bộIFFT N điểm. Tại đây diễn ra hai quá trình: chèn sóng mang

rỗng và biến đổi tín hiệu từ miền tần số sang miền thời gian. Cũng tại bộ IFFT này, các sóng mang con trực giao được tạo ra. Tín hiệu đầu ra của bộ biến đổi song song/ nối tiếp trong miền thời gian được chèn khoảng bảo vệ CP. Phần thực và phần ảo của tín hiệu được chuyển thành tín hiệu tương tự thông qua bộ DAC, sau cùng mỗi phần thực và ảo được đưa vào bộđiều chếquang MZM để chuyển thành tín hiệu quang.

Thành phần thực và ảo từ hai ngõ ra của bộ điều chế OFDM sẽ được đưa vào hai đầu bộđiều chế MZM. Trong khi đó, tín hiệu quang do một LD tạo ra được đưa đến đầu vào bộđiều chếMZM. Đầu ra của bộđiều chế MZM là tín hiệu OFDM đã được điều chế sang miền quang và được phóng vào sợi quang.

4.1.2. Máy thu

Tín hiệu quang từ sợi quang tại phía thu sẽđược đi qua bộ chia công suất thụđộng cho N thiết bị ONU khác nhau. Đầu tiên, tín hiệu quang sẽ được trộn với sóng mang quang phát ra từ bộ dao động nội, rồi sau đó được đi qua bộ 900 Hybrid và các photodetector để tiến hành chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện.

Tín hiệu điện sau tiếp tục được đưa đến bộ biến đổi tương tự sang số ADC và loại bỏ khoảng bảo vệ CP. Dòng tín hiệu được biến đổi nối tiếp thành song song bởi bộ S/P và đưa vào bộ FFT. Tín hiệu sau bộ FFT là tín hiệu rời rạc miền tần số, được đi qua một bộ lọc để tách tín hiệu của mỗi người sử dụng. Cuối cùng, tín hiệu được giải điều chếở băng tần cơ sở và chúng ta thu được chuỗi bit ở phía phát.

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV: Ứng dụng OFDM trong mạng truy nhập quang thế hệ sau

SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp Trang 45

SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp Trang 46

4.2.Các kỹ thuật được thực hiện tại các phần tử trên mạng

4.2.1. Khối điều chế và giải điều chế tín hiệu OFDM

Tín hiệu OFDM được điều chế bằng cách sử dụng sơ đồ điều chếnhư hình 4.2.

Hình 4.2: Khối điều chế tín hiệu OFDM phía phát

Hình 4.3: Khối giải điều chế tín hiệu OFDM phía thu

4.2.1.1. Khối điều chế số và giải điều chế số

Khối điều chế số

Phương pháp điều chế M-QAM là phương pháp nâng cao hiệu quả của một kênh

truyền mà không cần tăng công suất phát hay tăng độ rộng băng thông. Việc điều chế hai thành phần đồng pha và pha vuông góc một cách độc lập với nhau cho ta một sơ đồ điều chế mới gọi là điều chế biên độ vuông góc (hay cầu phương) M trạng thái (QAM, Quadrature Amplitude Modulation). Như vậy, trong điều chế QAM sóng mang bị điều chế cả vềbiên độ lẫn pha.

Dạng tổng quát của điều chế QAM, M mức (M-QAM) được xác định như sau:

0 0 2 2 ( ) cos(2 ) sin(2 );(0 ) (4.1) i i c i c E E S t a f t b f t t T T  T      Trong đó:

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV: Ứng dụng OFDM trong mạng truy nhập quang thế hệ sau

SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp Trang 47

E0: năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất

ai , bi : cặp sốnguyên độc lập được chọn tùy theo vị trí bản tin. i=1,2…L. Có thể phân tích Si(t) thành cặp hàm cơ sở: 1 2 ( ) isin(2 c. ) 0 (4.2) Φ t b πf t t T T     2 2 ( ) isin(2 c. ) 0 (4.3) Φ t a πf t t T T   

Hình 4.4: Không gian tín hiệu M-QAM với M=4 Tọa độcác điểm bản tin là bi E0 và ai E0 với :

                    1, 1 3, 1 ... 1, 1 1, 3 3, 3 ... 1, 3 , . . ( 4 .4 ) . . 1, 1 3, 3 ... 1, 1 i i L L L L L L L L L L L L a b L L L L L L                                            

SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp Trang 48 Đối với 16-QAM ta có L=4                                   3 , 3 1, 3 1, 3 3 , 3 3 , 1 1, 1 1, 1 3 , 1 , ( 4 . 5 ) 3 , 1 1, 1 1, 1 3 , 1 3 , 3 1, 3 1, 3 3 , 3 i i a b                                Hình 4.5: Chùm tín hiệu 16-QAM