- Nghiên cứu lý thuyết dựa trên mô hình giải tích với các công cụ toán học kết hợp với mô phỏng. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết được sử dụng cho các nghiên cứu về nguyên lý hoạt động và mối liên hệ, ảnh hưởng của các tham số hiệu năng của hệ thống như: điều chế, giải điều chế, ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển, lỗi lệch tia, bán kính chùm tia phát, khẩu độ thấu kính máy thu, khoảng cách kênh truyền.vv… và mô hình kênh của hệ thống FSO.
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với công cụ phần mềm được sử dụng trong việc khảo sát, đánh giá hiệu năng các hệ thống FSO.
6. Đóng góp khoa học c a lu n án ủ ậ
Đóng góp 1: Cơ bản xác định được mô hình giải tích và đánh giá hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC-QAM có tính đến tác động đồng thời của lỗi lệch tia và nhiễu loạn khí quyển.
Đóng góp 2: Cơ bản xác định được mô hình giải tích đối với hệ thống FSO SC/ -QAM/MIMO có tính đến tác động đồng thời của lỗi lệch tia và nhiễu loạn khí quyển.
xxii
7 B c c . ố ụ luận án
Với các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án các kết quả nghiên cứu , của luận án sẽ được bố cục thành ba chương với các nội dung chính như sau:
Chương 1: “Tổng quan về hệ thống FSO”. Trong chương này, luận án trình bày về mô hình, các phần tử và nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền thông quang không dây. Suy hao đường truyền phụ thuộc vào thời tiết và nhiễu loạn khí quyển. Ngoài ra, mô hình pha đinh do lệch tia giữa máy phát và máy thu trong điều - kiện rung lắc của các tòa nhà cũng được trình bày trong chương này. Các tham số hiệu năng như tỷ lệ lỗi ký tự trung bình và dung lượng kênh trung bình cho các cấu hình khác nhau của hệ thống được trình bày ở phần cuối của chương.
Chương 2 “Ảnh hưởng của lỗi lệch tia lên hiệu năng hệ thống FSO chuyển : tiếp sử dụng điều chế SC-QAM”. Trong chương này, luận án trình bày về hiệu năng hệ thống FSO điểm điểm sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp. Với hệ thống FSO chuyển - tiếp điện AF, nghiên cứu sinh đã xây dựng mô hình giải tích khảo sát hiệu năng hệ thống này trong điều kiện nhiễu loạn và lệch tia. Từ các mô hình giải tích, nghiên cứu sinh đã tính toán các biểu thức của các tham số hiệu năng ASER và ACC o ch hệ thống FSO chuyển tiếp điểm điểm sử dụng điều chế SC- -QAM. Việc sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp điện AF cho hệ thống FSO đã cải thiện hiệu năng của hệ thống, đặc biệt là trong miền giá trị lớn của lỗi lệch tia.
Chương 3 “Giảm ảnh hưởng của lỗi lệch tia lên hiệu năng của hệ thống FSO : chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật MIMO Trong chương này, luận án trình bày về hiệu ”. năng hệ thống FSO đa điểm đa điểm- sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp. Với hệ thống FSO chuyển tiếp điện AF và kỹ thuật MIMO, nghiên cứu sinh đã xây dựng mô hình giải tích khảo sát hiệu năng hệ thống này trong điều kiện nhiễu loạn và lệch tia. Từ các mô hình giải tích, nghiên cứu sinh đã tính toán các biểu thức của các tham số hiệu năng ASER và ACC cho hệ thống FSO chuyển tiếp đa điểm đa điểm sử dụng - điều chế SC QAM. Việc sử dụng kết hợp kỹ thuật chuyển tiếp điện AF và kỹ thuật - MIMO cho hệ thống FSO đã cải thiện hiệu năng của hệ thống, giảm đáng kể ảnh hưởng của lệch tia và nhiễu loạn khí quyển lên hiệu năng của hệ thống.
1
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG FSO 1.1. Giới thi u ệ chƣơng
Nội dung của chương này trình bày về mô hình, các phần tử và nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền thông quang không dây. Suy hao đường truyền phụ thuộc vào thời tiết, nhiễu loạn khí quyển và lỗi lệch tia, các tham số đường truyền được mô hình hóa bởi mô hình trạng thái kênh. Ngoài ra, mô hình pha-đinh do lệch tia giữa máy phát và máy thu trong điều kiện rung lắc của các tòa nhà cũng được trình bày trong chương này. Các tham số hiệu năng như tỷ lệ lỗi ký tự trung bình và dung lượng kênh trung bình cho các cấu hình khác nhau của hệ thống được trình bày ở phần cuối của chương. Nội dung chính của chương sẽ tập trung khảo sát tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ thể hiện mức độ nhiễu loạn của khí quyển, mô hình trạng thái kênh Log-№rmal và Gamma-Gamma của hệ thống FSO, mô hình pha đinh do - lệch tia giữa máy phát và máy thu.
1.2. Mô hình m t h ộ ệ thống FSO
Về cơ bản, một hệ thống truyền thông quang không dây FSO gồm ba phần: máy phát, kênh truyền và máy thu, sơ đồ khối của hệ thống FSO điểm hình được thể hiện như Hình 1.1.
1.
Hình 1. Sơ đồ hệ thống FSO với sự sự nhiễu loạn không khí Thấu kính phát Nguồn quang (LED/LASER) Bộ điều chế và điều khiển Thấu kính thu Bộ tách sóng quang Bộ giải điều chế Xử lý thông tin Hấp thụ Tán xạ
Nhiễu loạn Nhiễu bức xạ nền
Máy thu
Kênh truyền FSO
Máy phát Số liệu phát Số liệu khôi phục được
2 1.2.1. Máy phát
Máy phát có chức năng chính là điều chế dữ liệu băng gốc thành tín hiệu
quang, tín hiệu quang này sau đó sẽ được truyền qua không gian tới máy thu. Phương thức điều chế được sử dụng phổ biến là điều chế cường độ (IM), trong đó cường độ bức xạ quang của nguồn quang được điều chế bởi số liệu cần truyền đi. Ngoài phương thức điều chế trực tiếp, có thể sử dụng phương thức điều chế ngoài. Sử dụng bộ điều chế ngoài nhằm đảm bảo tốc độ dữ liệu đạt được cao hơn so với bộ điều chế trực tiếp. Các thuộc tính khác của trường bức xạ quang như tần số, pha và trạng thái phân cực cũng có thể được sử dụng để điều chế cùng với dữ liệu thông qua việc sử dụng bộ điều chế ngoài Tín hiệu sau khi điều chế từ nguồn quang. (LED hoặc LASER) được tập hợp bởi một thấu kính và phát qua môi trường khí quyển tới máy thu.
Nguồn quang được sử dụng có thể là LED hoặc LASER tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng hệ thống. Trong khoảng bước sóng từ 700 10000 nm có rất nhiều cửa sổ truyền dẫn hầu như trong suốt với mức suy hao nhỏ ở 0,2dB/km. Tuy nhiên, hầu hết các hệ thống FSO đều được thiết kế để hoạt động trong các cửa sổ truyền dẫn 780 850 nm và 1520 1600 nm. Cửa sổ truyền dẫn 780 850 nm là được sử dụng rộng rãi nhất, bởi vì thiết bị và các thành phần của hệ thống có thể được sản xuất và triển khai với chi phí thấp khi hoạt động ở những bước sóng trong cửa sổ truyền dẫn này.
Tuy nhiên, dải tần 1550 nm đã và đang được sử dụng nhiều bởi nhiều lý do. Thứ nhất, hệ thống sử dụng bước sóng 1550 nm tương thích với mạng ghép kênh
phân chia theo bước sóng ở cửa sổ truyền dẫn thứ 3. Thứ hai, bước sóng
1550 nm an toàn cho mắt hơn đối với các bước sóng khác. Thứ ba, là hạn chế tán xạ và nhiễu trong sương mù, điều này dẫn đến kết quả là tại bước sóng
1550 nm công suất truyền dẫn được tăng lên đáng kể khi vượt qua suy hao do sương mù. Tuy nhiên, hạn chế của dải sóng 1550 nm là độ nhạy của máy thu giảm, tuy nhiên độ giảm này là không đáng kể. Giá thành sản xuất linh kiện cao hơn và yêu cầu việc giữ thẳng hướng giữa máy phát và máy thu trong điều kiện rung lắc của các tòa nhà.
Một số loại nguồn quang LED và LASER sử dụng phổ biến trong hệ thống truyền thông quang không dây FSO được liệt kê trong Bảng 1.1.
3
Bảng 1.1. Một số loại guồn quang sử dụng tr n ong FSO [79]
Loại nguồn quang Bƣớc sóng
(nm) Đặc điểm
LED Hồng ngoại
gần
Gần hồng ngoại
Mạch điều khiển đơn giản
Công suất và tốc độ dữ liệu thấp hơn
LASER
Thác lượng tử ~10000
Không xuyên qua thủy tinh Thành phần chế tạo không có sẵn Truyền dẫn trong sương mù tốt hơn Đắt tiền và tương đối mới
Rất nhanh và độ nhạy cao
Fabry-Perot ~1300/~1550
Độ dốc hiệu quả (0,03 – 0,2 W/A) Tốc độ cao (lên tới 40 Gb/s)
Tương thích với bộ khuếch đại EDFA Mật độ công suất cao hơn 50 lần (100 nW/cm2)
Tiêu chuẩn an toàn cho mắt thấp hơn Phát xạ mặt khoang cộng hưởng dọc ~850 Không có hoạt động làm mát, mật độ công suất thấp, tốc độ ~10 Gb/s Rẻ và có tính khả dụng 1.2.2. Kênh truy n d n khí quy n ề ẫ ể
Kênh truyền dẫn của hệ thống FSO có thể là trong không gian vũ trụ giữa các vệ tinh, dưới nước, trong khí quyển hoặc là sự kết hợp của các loại môi trường trên trong cùng một tuyến thông tin.
Kênh truyền khí quyển chứa các phần tử khí, các hạt bụi, khói và có các loại hình thời tiết như: mưa, sương mù, sự bốc hơi nước có ảnh hưởng khá lớn tới điều kiện nhiễu loạn của kênh truyền. Mật độ của các hạt cao nhất ở gần bề mặt trái đất và giảm dần khi tăng độ cao tới tầng điện ly. ự phân bố các loại khí tiêu biểu được S liệt kê trong Bảng 1.2.
4
Bảng 1.2. Phân bố các loại khí tiêu biểu kênh truyền khí quyển [69]
Thành phần khí Ký hiệu hóa chất Khối lƣợng phân tử trung bình Tỷ lệ trong khí quyển (phần triệu) Nitrogen N2 28,013 780,840 Oxygen O2 31,999 209,460 Argon Ar 39,948 9,340 Cac bo níc CO2 44,010 384 Neon Ne 20,180 18,18 Helium He 4,003 5,24 Methane CH4 16,043 1,774 Krypton Kr 83,798 1,14 Hydrogen H2 2,016 0,56 Nitrous oxide N2O 44,012 0,320 Ozone O3 47,998 0,01-0,10 Xenon Xe 131,293 0,09
Khi bức xạ quang truyền qua không khí, một số hạt photon bị hấp thụ bởi các nguyên tử khí có mặt trong khí quyển và năng lượng của các hạt photon bị hấp thụ được chuyển thành nhiệt, trong khi đó những photon khác không bị mất năng lượng tuy nhiên hướng đi của chúng bị thay đổi (hiện tượng này gọi là tán xạ). Tia bức xạ quang cũng bị mở rộng trong quá trình truyền lan dẫn đến bán kính tia bức xạ thu được lớn hơn bán kính màn chắn thu của máy thu quang.
Một đặc điểm quan trọng khác của kênh truyền trong khí quyển đó là hiện tượng nhiễu loạn khí không khí, sự nhiễu loạn không khí phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất không khí, độ cao tia truyền, tốc độ gió… sự nhiễu loạn của khí quyển gây nên , giữa các lớp không khí khác nhau có sự thay đổi về chiết suất, hính vì vậy mà kênh c truyền nhiễu loạn không khí rất dễ thay đổi, khó dự đoán, chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của các điều kiện thời tiết gây nên sự dao động cả về pha lẫn cưỡng độ của bức xạ quang trong quá trình truyền lan trên kênh truyền. Kết quả là gây nên tỷ lệ lỗi rất lớn do sự dao động của tín hiệu thu được. Sự nhiễu loạn của khí quyển ảnh hưởng đến hệ thống FSO bao gồm:
5
- Lỗi lệch tia: Tia bức xạ quang do ảnh hưởng của nhiễu loạn không khí bị lệch khỏi đường truyền thẳng ban đầu của nó. Điều này khiến máy thu gặp khó khăn khi thu bức xạ quang và có thể là hoàn toàn không thu được khi bức xạ quang bị lệch quá mức.
- Sự trôi búp: Tâm của tia thu được bị di chuyển trên mặt phẳng thu của màn chắn thu do sự thay đổi về góc tới của tia sáng.
- Chùm tia bị phân kỳ: Độ phân kỳ của chùm tia bức xạ bị tăng lên do hiện tượng tán xạ, điều này dẫn tới sự suy giảm về mật độ công suất của bức xạ thu.
- Sự nhấp nháy: Sự nhấp nháy là sự biến đổi về không gian của cường độ sáng gây ra bởi sự nhiễu loạn không khí, gió và sự thay đổi nhiệt độ tạo ra những túi khí có mật độ thay đổi nhanh dẫn tới sự thay đổi nhanh chỉ số chiết xuất, đó chính 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 và làm ảnh hưởng đến hiệu năng của các hệ thống FSO tăng mạnh, đặc biệt là khi có ánh sáng mặt trời.
- Sự thay đổi phân cực: Khi tia bức xạ đi qua môi trường nhiễu loạn, trạng thái phân cực của tia bức xạ sẽ bị thay đổi. Tuy nhiên với tia bức xạ phân cực ngang, sự thay đổi về trạng thái phân cực này có thể bỏ qua.
1.2.3. Máy thu
Máy thu hỗ trợ việc khôi phục các dữ liệu đã được phát đi từ phía phát sau khi đã chịu ảnh hưởng của môi trường. Tại phía thu, tín hiệu quang được tập trung lại và được tách, cùng với sự xuất hiện của nhiễu, bức xạ nền và méo tín hiệu. Các tham số quan trọng của trường quang tại máy thu là kích thước thấu kính thu và công suất tín hiệu quang thu được, các tham số này xác định lượng ánh sáng tập trung vào bộ tách quang. Với hệ thống thông tin quang, với một mức công suất phát, nếu sử dụng bộ thu có kích thước lớn thì SNR của bộ thu sẽ tăng. Tuy nhiên, điều này đồng nghĩa với điện dung của bộ thu cũng tăng, làm giới hạn băng thông của máy thu.
Máy thu trong hệ thống FSO bao gồm các thành phần.
- Thấu kính thu: Là phần tử thu tín hiệu quang, có chức năng thu thập và tập trung bức xạ quang đến máy thu vào bộ tách sóng quang. Khẩu độ thấu kính thu lớn thì sẽ có khả năng thu thập và tập trung nhiều bức xạ vào bộ tách sóng quang.
6
- Bộ tách sóng quang: Có nhiệm vụ chuyển bức xạ quang đến thành tín hiệu điện, các bộ tách sóng quang thường được sử dụng trong các hệ thống truyền thông quang hiện nay là PIN hoặc APD và được liệt kê trong Bảng 1.3.
Bảng 1.3. Các bộ tách quang sử dụng phổ biến trong FSO [69]
Kim loại/cấu trúc Vùng bƣớc song (nm) Đáp ứng R (W/A) Độ lợi Silicon PIN 300 1100 0,5 1 Germanium PIN 500 1800 0,7 1 InGaAs PIN 1000 1700 0,9 1 Silicon APD 400 1000 77 150 Germanium APD 800 1300 7 10 InGaAs APD 1000 1700 9 10
- Mạch xử lý sau tách sóng: Có nhiệm vụ khuếch đại, lọc và xử lý tín hiệu để đảm bảo có thể phục hồi được dữ liệu đã được truyền đi, quá trình tách tín hiệu cơ bản được chia làm hai loại.
Tách sóng trực tiếp: Sử dụng công suất hoặc cường độ của bức xạ quang đến máy thu để tách tín hiệu. Chính vì thế mà tín hiệu đầu ra của bộ tách sóng quang tỷ lệ với công suất của bức xạ quang. Việc triển khai máy thu loại này rất đơn giản và thích hợp nhất cho những hệ thống điều chế cường độ quang.
Tách sóng tổng hợp (tách sóng coherent): Loại máy thu này làm việc dựa trên hiện tượng trộn lẫn của các bức xạ quang, trường bức xạ quang đến bộ tách sóng quang sẽ được trộn lẫn với một trường bức xạ quang khác được tạo ra ngay tại bề mặt của bộ tách sóng quang. Máy thu chuyển đổi tổng hợp có thể chia ra thành hai loại là máy thu đồng tần và máy thu khác tần. Với máy thu đồng tần, bức xạ quang được tạo ra trên bề mặt của bộ tách sóng quang có tần số và bước sóng giống với tần số và bước sóng của bức xạ tới. Máy thu khác tần thì ngược lại, bức xạ quang tạo ra trên bề mặt của bộ tách sóng quang khác với bức xạ quang tới. Khác với máy thu vô tuyến tổng hợp, ở máy thu quang tổng hợp, bức xạ quang tạo ra do bộ dao