3. 2 Hệ Thống FSO sử dụng kỹ thuật điều chế QAM
3.3.2 Nhiễu loạn không khí
Như đã nói ở trên, thông số Xa là một biến ngẫu nhiên thể hiện sự biến đổi tín hiệu gây ra bởi nhiễu loạn không khí. Đã có rất nhiều mô hình thống được đưa ra nhằm mô hình hóa tiến trình ngẫu nhiên này. Tuy nhiên, ba mô hình được chấp nhận và sử dụng rộng dãi nhất đó là mô hình log-normal, mô hình Gamma Gamma và mô hình mũ âm. Mô hình log-normal giới hạn cho điều kiện nhiễu loạn yếu, mô hình Gamma Gamma thích hợp dùng cho trường hợp nhiễu loạn trung bình và mạnh, còn mô hình mũ âm dùng cho điều kiện nhiễu loạn bão hòa.
Như đã đề cập trong Chương 2, các công thức số (2.29), (2.40), (2.43) lần lượt được đưa ra để xác định hàm mật độ xác suất của sự biến đổi cường độ bức xạ
53
quang Xa gây ra bởi nhiễu loạn không khí tương ứng với mô hình log-normal, Gamma Gamma, và mô hình mũ âm.
3.3.3 Lỗi lệch hƣớng thu phát.
Trong công nghệ FSO, thông tin được truyền dẫn bởi bức xạ quang theo đường thẳng. Việc hướng tia một cách chính xác là một vấn đề rất quan trọng trongFSO bở vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến tỷ lệ lỗi và độ tin cậy của toàn bộ hệ thống. Lỗi lệch hướng thu phát xảy ra khi tia bức xạ bị lệch đi so với kỳ vọ ng. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự đi không chính xác của tia gây nên sự lệch hướng chùm tia như sự rung của các tòa nhà gây nên bởi gió và sự nở vì nhiệt, đặt điểm thu không chính xác… Trong phần này, chúng ta đưa ra mô hình để mô hình hóa sự biến đổi tín hiệu gây nên bởi lỗi lệch hướng thu phát. Trong mô hình đó, chúng ta sẽ xem xét đến ảnh hưởng của kích thước khẩu độ bộ phát hiện thu, bán kính tia, và biến lệchjitter.
Sự dịch chuyển r của điểm tới của tâm tia bức xạ so với tâm vòng tròn khẩu độ được coi như là tuần theo phân bố Gauss. Hàm mật độ xác suất của r là:
fr (r) =
Trong đó là biến jitter tại máy thu.
s
Hàm mật độ xác suất của sự biến đổi tín hiệu gây ra bởi lỗi không đồng bộ không gian thu phát được cho theo mô hình sau đây:
f
được tính cùng với các thông số khác như dưới đây:
2 w2 perf ( v) wzeq
=
2zvexp(-v2 ) .
Với erf (x) = 2
p
là bán kính tia bức xạ tại điểm thu, ε = (1+2ω0 là khoảng cách gắn kết.
3.3.4 Tổng hợp biến đổi tín hiệu cho toàn hệ thống.
Trong các phần trên, chúng ta đã xét đến sự biến đổi tín hiệu gây ra bời từng thành phần X , X , X lần lượt là sự biến đổi của tín hiệu gây ra bởi suy hao khí
l a p
quyển, nhiễu loạn không khí và lỗi lệch hướng thu phát. Để mô hình hóa hệ thống, chúng ta cần mô hình hóa quá trình biến đổi ngẫu nhiên của X là đại diện cho sự biến đổi tín hiệu trong quá trình truyền từ bức xạ từ phát đến thu. Như vậy ta phải tổng hợp phương trình (3.6) với phương trình (2.29) hoặc (2.40) hoặc (2.43) (tùy thuộc vào mô hình nhiễu loạn kênh truyền mà ta đang xét) với phương trình (3.10) để tìm ra hàm phân bố xác suất của X. Để tổng hợp được các phương trình đó, trướctiên chúng ta phải sử dụng hai phương trình xác suất sau đây:
f
X
(X)
Trong đó, fX| Xa là hàm xác suất có điều kiện của X với điều kiện Xa. Hàm xác suất có điều kiện này có thể được tính như sau:
f (X| X)=
X| Xa a
Áp dụng hai phương trình trên vào tổng hợp các phương trình (3.6) với phương trình (2.29 ) hoặc (2.40) hoặc (2.43) và (3.10), ta sẽ thu được kết quả là hàmtổng hợp biến đổi tín hiệu cho toàn hệ thống.
Trong khuôn khổ luận văn sẽ chỉ sử dụng mô hình log-normal cho biến đổi tín hiệu gây ra bởi nhiễu loạn không khí, không xét đến sự biến đổi của tín hiệu gây ra bởi suy hao khí quyển và lỗi lệch hướng thu phát do vậy ta có hàm mật độ xác suất của X được cho như sau:
f ( X) = f
X Xa
3.4. Đánh giá hoạt động của hệ thống FSO/SC-QAM.
Kênh truyền nhiễu loại không khí có thể được mô hình giống như một kênh Fading chậm (slow-fading). Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình (ASER) của hệ thống FSO sử dụng điều chế QAM được tính theo công thức sau đây:
¥
PSE =ò Pe (g ).fg (g )d g .
0
Trong phương trình trên :
- Pe( g ) là hàm xác suất lỗi có điều kiện của tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) tức thời tại phía máy thu
- f g (g ) là hàm mật độ xác suất của tỷ số tín hiệu trên tạp âm tức thời tại phía máy thu.
Với hệ thống FSO/SC-QAM thì hàm xác suất lỗi có điều kiện được tính như sau:
P ( g) = 1 -[1 -2q
e
56
Trong phương trình trên, MI và MQ lần lượt là biên độ tín hiệu cùng pha và
biên độ tín hiệu cầu phương, hàm q(x)= 1-x-1 và hàm Q(x)
hàm Gauss Q(.) được định nghĩa bởi hàm erfc(.) bởi:
Q(x) = 1
2 erfc( x 2 ) Các thông số còn lại được cho như sau:
1 2p
(3.17)
(3.18)
Trong đó: r = d Q/dI là tỷ lệ khoảng cách được quyết định bởi tín hiệu cầu
phương trên đồng pha.
Phương trình (3.23) có thể được rút gọn thành:
P ( g) =2q(M )Q(A g) +2q( M ) Q( A g) -4 q( M ) q( M ) Q( A
e I I q q I q I
Thay phương trình (3.26) vào phương trình (3.22) ta được:
g) Q( Ag) Q (3.19) se 0 - 4q(M I 0 (3.20) gf(g ) dg
Để tính được tỷ lệ lỗi ký tự, trước tiên ta phải tìm ra hàm mật độ xác suất của tỷ số tín hiệu trên t ạp âm tức thời phía máy thu. Từ phương trình (3.6) và phương trình (3.14) kết hợp sử dụng công thức liên hệ giữa các hàm mật độ xác suất:
57
tức thời cho kênh FSO trong điều kiện nhiễu loạn yếu và không xét đến lỗi lệch hướng thu phát như sau:
f g (g ) =
Để có thể tính được phương trình (3.25) ở trên, trước tiên ta phải sử dụng công thức sấp xỉ của hàm Gauss Q(x) như trong công thức (3.27):
Q(x) = 1
2 erfc( x 2 )
Trong nội dung của bài luận văn có đề liên quan tới phân tích hiệu suất của hệ thống FSO thông qua xác suất lỗi kí tự trung bình là một hệ quả của sự kết hợp với hàm Gauss Q(x). Do đó sẽ đưa vào áp dụng 2 công thức để tính giá trị hàm Q(x) theo giới hạn trên QUB(x) và theo giới hạn dưới QLB(x) là các công thức đã được chứng minh lần lượt trong công thức số (13) và công thức (17) trong tài liệu tham khảo số [9] và [10]. Với QUB(x) và QLB(x) được tính như sau:
Q (x
UB
QLB (x) =
p xexp(- 3 x2).
Các công thức (3.27) và (3.28) được đưa ra để góp phần đánh giá hiệu suất lỗi của kỹ thuật truyền thông số qua kênh Fading. Công thức là các giới hạn trên và giới hạn dưới của hàm Gauss Q(x), là tổng hoặc hiệu của các hàm số mũ và thành phần “c/x” hoặc “cx” ( c là hằng số). Với các thành phần trong công thức tăng lên so với công thức Q(x) ban đầu (3.22) , và do đó, có thể được sử dụng để tính xấp xỉ Q(x) một cách chính xác hơn.
Các phương trình thu được ta tính kết quả và vẽ bằng Matlab.
3.5. Phân tích các kết quả thu đƣợc.
Sử dụng những công thức đã được đưa ra ở trên, chúng ta sử dụng Matlab để tính toán tỷ lệ lỗi ký tự cho những trường hợp khác nhau. Quá trình tính toán và phân tích được thực hiện dưới nhiều điều kiện hoạt động khác nhau thông qua việc thay đổi khoảng cách đường truyền, độ mạnh yếu của thông số cấu trúc khúc xạ, và các mức điều chế được sử dụng nhằm đánh giá chất lượng của hệ thống và đưa ra sự lựa chọn phương pháp điều chế tối ưu. Các thông số cố định của hệ thống được chọn tiêu biểu như sau:
Bảng 3.1: Các thông số của một hệ thống FSO/SC-QAM tiêu biểu
Parameter
Bước sóng Laser
Hệ số chuyển đổi quang điện
Đường kính khẩu độ thu
Hệ số điều chế
Biên độ tín hiệu đồng pha và tín hiệu cầu phương
59
ASER voi su thay doi ung voi cac cong thuc Q(x) A ve ra ge s ym bo l e rr or r at e (A S E R ) exact Q(x) 10 0 10 -1 10 -2 0 A ve ra ge s ym bo l e rr or r at e (A S E R ) 100 10-1 10 -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 Average SNR (dB)
Hình 3.6: Hệ thống FSO theo các hàm Q(x) tại mức SNR nhỏ(0-10dB)
Và mức Average SNR lớn (10-30dB)
60
Hình 3.6 đánh giá tỉ lễ lỗi kí tự trung bình ASER của hệ thố ng FSO theo tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR với L=2000m, Cn2 =10-15 m-2/3 với các công thức tính hàm Q(x), công thức tính xấp xỉ cận theo cận trên QUB (x), và cận dưới QLB(x). Có thể thấy rằng đường đặc tuyến theo 3 công thức trên là tương tự nhau. Trong vùng SNR nhỏ, giá trị của ASER sẽ nằm trong giữa khoảng cận trên (QUB (x)) và cận dưới của Q(x) (QLB(x)). Trong vùng SNR lớn tại giá trị ASER=10-4 ,Giá trị của SNR tính theo hàm Q(x) và QUB(x) là xấp xỉ bằng nhau và lớn hơn QLB(x) 1dB. Từ đó có thể tính ASER theo 2 công thức tính xấp xỉ QUB(x) và Q LB(x).
Ngoài ra Hình 3.6 đánh giá chất lượng ASER của hệ thống FSO/SC-QAM tại khoảng cách 2km trong điều kiện nhiễu loạn không khí yếu. Có thể thấy rằng để hệ thống đạt đượt tỷ lệ lỗi ký tự trung bình ASER nhỏ hơn 10 -3 thì yêu cầu tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm trung bình phải đạt trên 23dB.
Hình 3.7 đánh giá tỉ lễ lỗi kí tự trung bình ASER theo tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR ứng với các thông số cố định như: Đường kính khẩu độ thu D= 0.08 m, bước sóng λ= 1500 nm, thông số cấu trúc khúc xạ Cn2 =10-15 m-2/3,sử dụng điều chế 32- QAM, thông qua sự biến đổi của khoảng cách truyền dẫn, L=1000 m, 2000m, 3000m và 5000m với các công thức tính xấp sỉ của hàm Q(x).
61
Hình 3.7: Đánh giá ASER theo sự thay đổi của L
62
Có thể dễ dàng nhận thấy chất lượng của hệ thống phụ thuộc khoảng cách truyền dẫn. Chỉ số tín hiệu trên nhiễu trung bình SNR yêu cầu để có thể đạt được tỉ lên ASER = 10-5 tại L=1000m và L=3000m lần lượt xấp xỉ là 23(dB) và 25(dB). Điều này có nghĩa là để tăng khoảng cách truyền dẫn mà vẫn giữ được tỷ lên ASER thì cần phải tăng công suất phát lên.
Hình 3.8: Tác động của Cn2 lên hệ thống FSO
Hình 3.8 thể hiệ n tác động của thông số cấu trúc khúc xạ Cn2 lên tỷ lệ lỗi của hệ thống với các giá trị thay đổi lần lượt là 10-15 m-2/3 , 9.10 -15 m-2/3 và 3.10-14 m-2/3.
Khi tăng thông số Cn2 đồng nghĩa với sự nhiễu loạn trong không khí tăng lên với sự góp mặt của các hình thái như sương mù,khói…thì tỷ lệ lỗi của hệ thống tăng rất cao.
Xét 2 khoảng cách truyền dẫn lần lượt là L=2000 m và L=4000 m. Có thể nhận thấy rằng chất lượng của hệ thống phụ thuộc rất lớn vào khoảng cách truyền
63
dẫn. Với khoảng cách truyền dẫn L=2000m ASER giảm từ 7.10-2 cho điều kiện hộn loạn trung bình xuống 1.10-5 cho điều kiện hỗn loạn yếu tại giá trị SNR trung bình =25dB. Khi khoảng cách truyền dẫn tăng lên thì độ sụt giảm của ASER cũng yếu đi.ví dụ ở L=4000m ASER giảm từ 5.10-1 (trung bình) xuống 10-3 (yếu) tại 25dB
Nguyên nhân là do cường độ biến động không khí trở nên mạnh hơn khi khoảng cách truyền dẫn tăng do đó dẫn đến làm tăng tỉ lệ lỗi của hệ thống.
64
Hình 3.9: Đánh giá ASER với các phương thức điều chế khác nhau
Hình 3.9 đánh giá thông số ASER của hệ thống FSO/SC-QAM thông qua thông số SNR với các phương pháp điều chế SC-QAM khác nhau lần lượt từ 16-64. Với các thông số: khoảng cách L=2000 m, Cn2 = 10 -15 m-2/3 . Ta thấy tại cùng một giá trị SNR nhất định. Số mức điều chế càng cao, tỷ lệ lỗi kí tự càng lớn. Để đảm bảo tỷ lệ lỗi kí tự ở một giá trị nhất định, thì điều chế SC-QAM có mức điều chế càng lớn yêu cầu công suất phát càng lớn. Điều đó phù hợp với lý thuyết điều chế QAM.
Ngoài ra Hình 3.9 còn cho thấy rằng trong 3 kỹ thuật điều chế trên. kỹ thuật điều chế 16-QAM yêu cầu công suất phát là nhỏ nhất, và 64-QAM là lớn nhất . Tuy nhiên tốc độ xử lý dữ liệu c ủa 16-QAM nhỏ hơn rất nhiều so với 64-QAM. Ngày nay có thể lên đến 1024-QAM. Nhưng số mức điều chế càng lớn thì tỷ lệ lỗi kí tự, hay nhiễu liên kí tự càng lớn. Như vậy tùy từng ứng dụng cụ thể để đưa ra kỹ thuật điều chế phù hợp – là sự cân nhắc giữa tốc độ xử lý dữ liệu, tỷ lệ lỗi,và công suấtphát của hệ thống.
65
Hình 3.10: So sánh công nghệ SISO/FSO với MIMO/FSO
Có rất nhiều cách để làm tăng hiệu suất của hệ thống FSO như: tăng đường kính vòng tròn khẩu độ, hay giảm khoảng cách truyền dẫn….Tuy nhiên có 1 cách mà không cần tăng đường kính khẩu độ, vẫn giữ được khoảng cách đường truyền lớn nhưng có thể làm giảm tỉ lệ lỗi và giảm công suất phát đó là kết hợp công nghệ MIMO.Mô hình hệ thống MIMO/FSO đã được đưa ra nghiên cứu trong tài liệu tham khảo []. Chúng ta xem xét đến MIMO 2×2 và 4x4 cho hệ thống FSO sử dụng
điều chế SC-QAM trong điều kiện nhiễu loạn yếu với 10-15 (m-2/3). Như có thể thấy rõ ràng rằng, hiệu suất của hệ thống được cải thiện một cách đáng kể với khi tăng số lượng bộ phát và bộ thu, kết quả là có thể làm giảm chỉ số SNR cần thiết cho một giá trị ASER nhất định. Cụ thể hơn, độ lợi công suất thi cấu hình hệ thống MIMO/FSO thay đổi từ SISO tới MIMO 2×2 hay MIMO 4×4 là khoảng 5dB tại giátrị ASER=10-5.
66
KẾT LUẬN
Hệ thống thông tin quang không dây kết hợp kỹ thuật điều chế cường độ sóng mang QAM (FSO/SC-QAM) là hệ thống hệ thống thông tin sử dụng phương thức truyền sóng ánh sáng qua không gian tự do (FSO) để kết nối giữa các thiết bị phát và thu. Trong những năm gần đây, các hệ thống FSO/SC-QAM đã và đang thu hút được nhiều quan tâm nghiên cứu do các ưu điểm mà cả công nghệ FSO và điều chế QAM đem lại.
Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm, hệ thống FSO/SC-QAM cũng gặp phải những thách thức cần phải vượt qua đó là ảnh hưởng mạnh của tạp âm, nhiễu và các yếu tố tác động của môi trường truyền lan không gian như mưa, sương mù, khói, bụi, tuyết… và đặc biệt là sự nhiễu loạn không khí. Những yếu tố nêu trên làm suy giảm mạnh mẽ hiệu năng của các hệ thống FSO/SC-QAM
Trong phạm vi của luận văn, luận văn tập trung trình bày các đặc điểm chính sau:
- Trình bày tổng quan công nghệ truyền thông quang không dây. - Kênh Truyền và mô hình kênh nhiễu loạn không khí.
- Nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật điều chế SC-QAM trong FSO.
Đóng góp chính của luận văn là đưa ra mô hình hệ thống FSO/SC-QAM và phương thức phân tích hiệu năng của hệ thống FSO/SC-QAM theo các tham số dưới ảnh hưởng của các loại nhiễu, tạp âm và sự nhiễu loạn không khí. Ngoài ra còn đưa vào áp dụng các công thức tính giá trị hàm Gaussian Q(x) theo các giá trị cận trên QUB(x) và QLB(x) giúp đưa ra cách nhìn chính xác, chặt chẽ hơn khi
phân tíchđánh giá hệ thống.
67
KIẾN NGHỊ CÁC HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
Trên cơ sở kết quả khảo sát và đánh giá hiệu năng, luận văn đề xuất phương thức cải thiện hiệu năng của hệ thống FSO/SC-QAM như sau:
1. Đề xuất sử dụng các phương thức tính giá trị hàm Gausian Q(x) mới cho việc tính toán tỉ lệ lỗi kí tự trung bình nhằm đánh giá hiệu năng hệ thống