Chất lƣợng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà tín hiệu đƣợc truyền từ máy phát đến máy thu. Không giống nhƣ kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán đƣợc, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích. Tín hiệu đƣợc phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ…, làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm, các hiện tƣợng này đƣợc gọi chung là fading. Và kết quả là ở máy thu, ta thu đƣợc rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát. Điều này ảnh hƣởng đến chất lƣợng của hệ thống thông tin vô tuyến.
Hiện tƣợng fading trong một hệ thống thông tin có thể đƣợc phân thành hai loại: fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale fading).
Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc độ suy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng. Hiện tƣợng này chịu ảnh hƣởng bởi sự cao lên của địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà cao tầng) giữa máy phát và máy thu. Ngƣời ta nói phía thu bị che khuất bởi các vật cản cao. Các thống kê về
hiện tƣợng fading tầm rộng cho phép ta ƣớc lƣợng độ suy hao kênh truyền theo hàm của khoảng cách.
Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu. Điều này xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bƣớc sóng) giữa phía phát và phía thu. Fading tầm hẹp có hai nguyên lý - sự trải thời gian (time- spreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time-variant) của kênh truyền. Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền là biến đổi theo thời gian vì sự di chuyển của phía phát và phía thu dẫn đến sự thay đổi đƣờng truyền sóng.
Có ba cơ chế chính ảnh hƣởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống di động:
- Phản xạ xảy ra khí sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng phẳng với kích thƣớc rất lớn so với bƣớc sóng tín hiệu RF.
- Nhiễu xạ xảy ra khi đƣờng truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trở bởi một nhóm vật cản có mật độ cao và kích thƣớc lớn so với bƣớc sóng. Nhiễu xạ là hiện tƣợng giải thích cho nguyên nhân năng lƣợng RF đƣợc truyền từ phía phát đến phía thu mà không cần đƣờng truyền thẳng. Nó thƣờng đƣợc gọi là hiệu ứng chắn (shadowing) vì trƣờng tán xạ có thể đến đƣợc bộ thu ngay cả khi bị chắn bởi vật cản không thể truyền xuyên qua.
- Tán xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm cho năng lƣợng bị trải ra (tán xạ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hƣớng. Trong môi trƣờng thành phố, các vật thể thƣờng gây ra tán xạ là cột đèn, cột báo hiệu, tán lá. 2.1.2 Suy hao trong hệ thống FSO
Bức xạ mặt trời bị hấp thụ bởi bề mặt Trái Đất làm cho không khí xung quanh bề mặt Trái Đất nóng hơn so với không khí tại những điểm cao hơn so với mực nƣớc biển. Lớp khí nóng này trở nên mỏng đi và bốc lên cao để hòa trộn một cách hỗn loạn với các vùng không khí lạnh hơn ở xung quanh, làm cho nhiệt độ không khí thay đổi một cách ngẫu nhiên. Sự không đồng nhất gây ra bởi sự nhiễu loạn là của các ô nhỏ rời rạc, hoặc các xoáy lốc với nhiệt độ khác nhau, hoạt động nhƣ những lăng kính khúc xạ có các kích cỡ khác nhau và các chỉ số khúc xạ khác nhau. Sự tƣơng tác giữa
búp sóng laser và môi trƣờng nhiễu loạn dẫn tới kết quả là pha và biên độ của búp sóng quang mang thông tin thay đổi một cách ngẫu nhiên, làm cho hiệu năng của liên kết FSO bị suy giảm.
Khi một búp sóng laser lan truyền qua môi trƣờng khí quyển, phân bố không gian thay đổi ngẫu nhiên của chỉ số khúc xạ mà búp sóng laser gặp phải gây ra một số tác động. Bao gồm:
- Cƣờng độ thăng giáng quan sát đƣợc tại một bộ tách quang đặt tại cuối đƣờng truyền. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là sự nhấp nháy (scintillation).
- Mức độ thay đổi của sự thăng giáng so với kích cỡ của bộ tách sóng quang, hoặc với kích cỡ của bộ thu quang dùng để điều khiển ánh sáng đã đƣợc tập hợp tới bộ tách. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là độ mở trung bình.
- Nếu một búp sóng dạng Gaussian đối xứng tròn đƣợc quan sát thấy tại các khoảng cách khác nhau từ một bộ phát, nó bị suy giảm dần với sự tăng lên của khoảng cách và độ mạnh của sự nhiễu loạn. Các sự thay đổi lũy tiến đƣợc quan sát thấy là:
(i) Độ lệch của dạng búp sóng phụ thuộc vào thời gian. (ii) Lệch hƣớng trọng tâm của búp sóng.
(iii)Sự tăng lên của độ rộng búp sóng vƣợt quá dự kiến do sự nhiễu xạ.
(iv)Sự đứt gãy của búp sóng thành các phần riêng biệt của cƣờng độ sáng có hình dạng và vị trí thay đổi theo thời gian.
Gió làm dịch chuyển không khí có thể gây ra dịch chuyển trọng tâm của chùm tia, nhƣng về bản chất gió không làm thay đổi ngẫu nhiên chùm tia laser nhƣ sự nhiễu loạn. Gió và sự không đồng nhất của nhiệt độ tạo ra những xoáy lốc, những ô nhỏ hay những túi khí có kích thƣớc thay đổi từ 0,1 cm đến 10 m, dẫn tới sự thay đổi nhanh chỉ số khúc xạ, đó là nguyên nhân gây ra sự nhiễu loạn. Các túi khí này đóng vai trò nhƣ 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 hƣớng một phần hay lệch hƣớng hoàn toàn là phụ thuộc vào mối quan hệ giữa kích thƣớc của chùm sáng phát ra và mức độ không đồng nhất của nhiệt độ. Chính vì vậy, ánh sáng khi đi qua vùng khí quyển bị nhiễu loạn sẽ thay đổi một cách ngẫu nhiên (fading) về pha hay biên độ. Ví dụ đơn giản về ảnh hƣởng của sự nhiễu loạn là ánh sáng nhấp nháy của những ngôi sao, hay ánh sáng mờ ảo cuối đƣờng chân trời mà ta nhìn thấy vào những ngày nắng nóng.
Nhiễu loạn không khí thƣờng đƣợc phân loại theo các mô hình phụ thuộc vào độ lớn của sự thay đổi chỉ số khúc xạ và sự không đồng nhất. Các mô hình này là một hàm của khoảng cách truyền dẫn, bức xạ quang qua môi trƣờng khí quyển và đƣợc phân loại theo các mức độ yếu, trung bình và mạnh.
Suy hao khi truyền tín hiệu trong bầu khí quyển của hệ thống FSO 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. Với một tuyến FSO trên mặt đất, cƣờng độ tín hiệu thu đƣợc tại khoảng cách L từ bộ phát có quan hệ với cƣờng độ tín hiệu phát theo quy luật Beer – Lambert nhƣ sau: , R exp T P L L P (2.1)
Trong đó và ,Ltƣơng ứng là hệ số suy hao (m-1
) và suy hao tổng tại bƣớc sóng . Suy hao của tín hiệu quang trong không khí là do sự hiện diện của các phần tử khí có trong khí quyển và hơi nƣớc. Hệ số suy hao là tổng của hệ số hấp thụ và tán xạ từ hơi nƣớc và các phân tử khí trong khí quyển, đƣợc tính nhƣ sau:
am a m
(2.2)
Hai hệ số đầu là hệ số hấp thụ do hơi nƣớc và các phần tử khí trong khí quyển, hai hệ số sau tƣơng ứng là hệ số tán xạ do hơi nƣớc và các phần tử khí.
a) Hấp thụ - xảy ra khi có một sự tƣơng 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 lƣợng của chúng biến thành nhiệt. Hệ số hấp thụ phụ thuộc rất nhiều vào các loại khí và mật độ của chúng. Sự hấp thụ phụ thuộc bƣớc sóng và do đó có tính chọn lọc. Điều này dẫn tới bầu không khí có các vùng trong suốt – dải bƣớc sóng có độ hấp thụ tối thiểu – đƣợc xem nhƣ là cửa sổ truyền. Tuy nhiên, các bƣớc sóng sử dụng trong FSO về cơ bản đƣợc chọn để trùng với các cửa sổ truyền lan trong không khí, kết quả là hệ số suy hao đƣợc chi phối bởi sự tán xạ. Do đó a .
b) Tán xạ - là kết quả của việc phân bố lại góc trƣờng quang khi có và không có sự thay đổi bƣớc sóng. Ảnh hƣởng của tán xạ phụ thuộc vào bán kính r của các hạt (sƣơng mù, hơi nƣớc) gặp phải trong quá trình truyền lan. Một cách mô tả hiện tƣợng này là xét tham số kích cỡ x0 2 r/ . Nếu x0 =1 thì tán xạ là tán xạ Rayleigh, nếu
0 1
x 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 đƣợc tóm tắt trong bảng 2.1.
Bảng 2.1: Bán kính và quá trình tán xạ của các hạt tán xạ điển hình có trong không khí tại = 850 nm
Kiểu Bán kính 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 sƣơng 1 – 20 7,4 – 147,8 Mie – hình học
Mƣa 100 – 10000 740 – 74000 Hình học
Tuyết 1000 – 5000 7400 – 37000 Hình học Mƣa đá 5000 – 50000 37000 – 370000 Hình học
Kích thƣớc hạt sƣơng tƣơng đối lớn so với dải bƣớc sóng mà chúng ta xét trong FSO (0,5m - 2m). Do đó, có thể coi sƣơng mù là tán xạ photon chính và nó góp phần vào sự suy giảm công suất quang. Tán xạ Mie sẽ đƣợc mô tả dựa trên các công thức thực nghiệm theo dải tầm nhìn V (km). Tầm nhìn đƣợc đo bằng một dụng cụ gọi là đồng hồ đo truyền dẫn (transmissiometer). Mô hình thực nghiệm phổ biến cho tán xạ Mie đƣợc cho bởi:
3.91 550 a V (2.3)
(2.4)
Bảng 2.2 dƣới đây đƣa ra giá trị của dải tầm nhìn dƣới các điều kiện thời tiết khác nhau:
Bảng 2.2: Điều kiện thời tiết và các giá trị tầm nhìn Điều kiện thời tiết Dải tầm nhìn (m) Sƣơng mù dày đặc 200 Sƣơng mù trung bình 500 Ít sƣơng 770 – 1000 Ít sƣơng/mƣa lớn 1900 – 2000 Sƣơng mù/mƣa trung bình 2800 – 40000 Khô ráo/sạch sẽ 18000 – 20000 Khô ráo 23000 – 50000
Gần đây, trong nghiên cứu có liên quan tới tầng bình lƣu và suy hao bức xạ sƣơng mù trong dải bƣớc sóng 690 – 1550 nm có đƣa ra công thức đơn giản để xác định dải tầm nhìn trong dải 50 – 1000 m nhƣ sau:
0.11478 3.8367 Advection V (2.5a) 0.18126 2 0.13709 3.7502 Radiation V (2.5b)
Trong đó là bƣớc sóng tính theo nm và tầm nhìn V tính theo mét. Suy hao công suất do mƣa và tuyết là thấp so với do tán xạ Mie. Nhƣng vẫn phải đƣợc tính trong suốt quá trình phân tích định cỡ tuyến.
Suy hao kênh truyền không khí của hệ thống FSO chủ yếu gây ra bởi khói bụi, sƣơng mù và cũng phụ thuộc vào mƣa. Suy hao tổng sẽ là sự kết hợp của suy hao môi trƣờng không khí và suy hao hình học (geometric loss). Suy hao tổng của hệ thống FSO thực ra rất đơn giản, đƣợc cho bởi công thức sau:
2 2 2 1 exp r t P d L P d L (2.6)
Trong đó, Pt là công suất phát (mW), Pr là công suất thu (mW), là góc phân kỳ búp sóng (mrad), là hệ số suy hao (1/km), L là khoảng cách quãng đƣờng truyền dẫn. Nhìn vào công thức này, các biến số có thể kiểm soát đƣợc là kích cỡ độ mở, góc phân kỳ búp sóng và khoảng cách quãng đƣờng truyền dẫn. Hệ số suy hao là không thể kiểm soát đƣợc trong môi trƣờng ngoài trời. Trong điều kiện môi trƣờng khí quyển thực tế, để đạt đƣợc mức khả dụng lên đến 99.9% hay tốt hơn, ngƣời thiết kế hệ thống cần lựa chọn sử dụng bộ phát laser công suất lớn, thiết kế độ mở bộ thu lớn, thiết kế độ mở bộ phát nhỏ và sử dụng búp sóng phân kỳ hẹp. Một biến số nữa có thể kiểm soát là khoảng cách truyền dẫn L, thƣờng là các khoảng cách ngắn để đảm bảo rằng suy hao khí quyển không trở nên vƣợt trội trong suy hao tổng.
Trong các hệ thống FSO, môi trƣờng không khí và các tác nhân môi trƣờng xung quanh có ảnh hƣởng lớn tới suy hao của tín hiệu quang vô tuyến truyền từ nơi phát đến nơi nhận, có các yếu tố đặc trƣng gây ảnh hƣởng lớn đến suy hao tín hiệu truyền dẫn FSO.
2.2 Fading trong hệ thống RF
2.2.1 Hiện tƣợng đa đƣờng (Multipath)
Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thƣờng không bao giờ đƣợc truyền trực tiếp đến anten thu. Điều này xảy ra là do giữa nơi phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp. Do vậy, sóng nhận đƣợc chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hƣớng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là sự truyền sóng đa đƣờng (Multipath propagation). Do hiện tƣợng đa đƣờng, tín hiệu thu đƣợc là tổng của các bản sao tín hiệu phát. Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch
pha và có ảnh hƣởng lẫn nhau. Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể đƣợc khôi phục lại hoặc bị hƣ hỏng hoàn toàn. Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa đƣờng và nơi thu nhận đƣợc các đáp ứng xung độc lập khác nhau. Hiện tƣơng này gọi là sự phân tán đáp ứng xung (impulse dispersion). Hiện tƣợng méo gây ra bởi kênh truyền đa đƣờng thì tuyến tính và có thể đƣợc bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng.
Hình 2.1:Hiện tƣợng truyền sóng đa đƣờng
2.2.2 Hiệu ứng Doppler
Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tƣơng đối giữa máy phát và máy thu nhƣ trình bày ở hình 2.3. Bản chất của hiện tƣợng này là phổ của tín hiệu thu đƣợc bị xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler.
Giả thiết góc tới của tuyến n so với hƣớng chuyển động của máy thu là n, khi đó tần số Doppler của tuyến này là:
0cos n D n v f f c (2.7)
Trong đó f0, v, c lần lƣợt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển động tƣơng đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng. Nếu n 0 thì tần số Doppler lớn nhất sẽ là: ,max 0 D v f f c (2.8)
Hình 2.2: Hàm truyền đạt của kênh
Giả thiết tín hiệu đến máy thu bằng nhiều luồng khác nhau với cƣờng độ ngang hàng nhau ở khắp mọi hƣớng, khi đó phổ của tín hiệu tƣơng ứng với tần số Doppler đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
0 2 max 2 1 0 yy A f f j f f
nếu f0 fD,max f f0 fD,max các trƣờng hợp còn lại
(2.9)
2.2.3 Các dạng kênh truyền
Tùy theo đáp ứng tần số của kênh truyền và băng thông của tín hiệu phát mà ta có:
- Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số.
- Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc thời gian. a) Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số
Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảng tần số mà trong khoảng đó, đáp ứng