2.5.1 Ghép kênh sóng mang con SCM
Ghép kênh sóng mang con là một phương pháp hoàn thiện, đơn giản và có hiệu quả chi phí để khai thác băng thông sợi quang trong các hệ thống thông tin quang tương tự nói chung và trong các hệ thống RoF nói riêng.
Hình 2.11 : Ghép kênh sóng mang con SCM của các tín hiệu tương tự và số Trong SCM, tín hiệu RF (sóng mang con) được sử dụng để điều chế một sóng mang quang tại phía máy phát. Kết quả, nó cho một
phổ quang bao gồm tần số sóng mang gốc f0 cộng với 2 tần phụ tại f0
± fSC , trong đó fSC là tần số sóng mang con. Nếu chính sóng mang con được điều chế với dữ liệu (tương tự hoặc số) thì tạo ra các dải biên có tần số trung tâm là f0 ± fSC như minh họa trong Hình 2.11.
Để ghép nhiều kênh trên một sóng mang quang. Đầu tiên, nhiều sóng mang con được kết hợp lại, sau đó điều chế sóng mang quang như biểu diễn trong Hình 2.11. Tại phía thu các sóng mang con được khôi phục qua tách sóng trực tiếp và sau đó được phát đi. Các sơ đồ điều chế khác nhau có thể được sử dụng trên các sóng mang con riêng biệt, một sóng mang con có thể mang dữ liệu số trong khi một sóng khác có thể được điều chế với một tín hiệu tương tự như là lưu lượng Video hay lưu lượng thoại. Với cách này, SCM hỗ trợ ghép các dữ liệu băng rộng pha trộn theo các kiểu khác nhau. Sự điều chế các sóng mang quang có thể thực hiện được bằng cách điều chế trực tiếp laser hoặc bằng sử dụng các bộ điều chế ngoài như là MZM
SCM có thể được dùng trong cả hai kỹ thuật RoF IM - DD và RHD. SCM kết hợp với kỹ thuật IM- DD đã được sử dụng trong các hệ thống RoF dùng sợi đa mode. Tuy nhiên, các hệ thống này đã được sử dụng chủ yếu cho truyền dẫn các tín hiệu WLAN tại các tần số dưới 6 GHz.
(*) Ưu điểm của ghép kênh sóng mang con
Một trong những lợi thế chính của SCM là nó hỗ trợ kiểu lưu lượng dữ liệu hỗn hợp. Mỗi sóng mang con có thể mang một tín hiệu có khuôn dạng điều chế độc lập. Bởi vậy, nó có thể được sử dụng cho các ứng dụng rộng như là CATV, LAN không dây và các ứng dụng
sóng mm mà mới chỉ có một số mà thôi. Hơn nữa, vì những sóng mang con tại những tần số thấp nên các linh kiện luôn sẵn có. Các bộ điều chế, các bộ trộn và các bộ khuếch đại thực hiện trong TV cáp (CATV) và các hệ thống vệ tính khác có thể vẫn được sử dụng các hệ thống SCM dẫn tới chi phí hệ thống thấp.
(*) Nhược điểm của ghép kênh sóng mang con
Nhược điểm của SCM là bởi nó là một kỹ thuật tương tự nên nhạy cảm hơn với các ảnh hưởng tạp nhiễu và méo dạng do tính phi tuyến. Yêu cầu tính tuyến tính đối với các hoạt động của các thành phần của hệ thống là rát khó, đặc biệt với các ứng dụng như là Video, trong đó nó có thể yêu cầu tỉ số sóng mang trên tạp âm (CNR) > 55 dB. Nguồn quang của của cường độ tạp âm tương đối (RIN) là nguồn tạp âm chính và cần phải giữ càng thấp càng tốt.
2.5.2. Ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM.
Ứng dụng WDM vào trong các mạng RoF có rất nhiều ưu điểm bao gồm việc đơn giản hóa của tôpô mạng bằng việc cấp phát những bước sóng khác nhau tới các BS riêng lẻ, cho phép nâng cấp mở rộng dịch vụ và mạng dễ dàng hơn, cung cấp việc quản lý mạng đơn giản hơn. Bởi vậy kết hợp WDM với sự vận chuyển sóng quang mm đã được nghiên cứu rộng rãi.
Hình 2.12: Sơ đồ kết hợp của DWDM và truyền dẫn RoF
Hình 2.12 miêu tả một tuyến truyền dẫn xuống. Tín hiệu quang sóng mm từ nhiều nguồn được ghép lại sau đó khuyếch đại và vận chuyển qua một sợi quang đơn, giải ghép kênh để gửi tới mỗi BS. Mặc dù có nhiều bước sóng có sẵn trong các công nghệ DWDM hiện đại nhưng các mạng RoF dải sóng mm có thể yêu cầu nhiều tài nguyên bước sóng BS hơn nên cần phải sử dụng một cách hiệu quả.
Một thách thức khác nảy sinh là độ rộng phổ quang của một nguồn quang đơn sóng mm có thể bằng hoặc vượt quá khoảng cách kênh WDM. Chẳng hạn, Hình 2.13 cho thấy một phổ quang của các tín hiệu RoF DWDM sóng mm với điều chế DSB quang (a) và điều chế SSB quang (b), ở đây chúng ta giả thiết rằng tần số sóng mang của tín hiệu sóng mm là 60 GHz.
Hình 2.13: Phổ quang của tín các hiệu RoF DWDM sóng mm với (a) điều chế DSB quang, (b) điều chế SSB quang
Hình 2.13 (a) cho thấy để truyền kênh dữ liệu đơn tại băng 60 GHz thì nên sử dụng điều chế DSB hơn là tại băng thông 120 GHz. Ngoài ra, trên quan điểm chi phí nó được ưa dùng hơn là sử dụng phân bố kênh bởi tính sẵn có của các phần tử quang theo khuyến nghị của ITU. Khi ấy, khoảng cách kênh tối thiểu trong điều chế DSB là 200 GHz, trong trường hợp điều chế SSB khoảng cách này là 100 GHz như minh họa trong Hình 2.13 (b). Để tăng hiệu xuất phổ của hệ thống, khái niệm đan xen tần số quang đã được đề xuất.
Một vấn đề khác liên quan đến số lượng bước sóng yêu cầu trên một BS là cần có một bước sóng để hỗ trợ hoạt động song công hoàn toàn. Kỹ thuật tái sử dụng bước sóng đã được đề xuất từ đó dựa trên việc khôi phục sóng mang quang sử dụng trong truyền dẫn tín hiệu tuyến xuống và sử dụng lại cùng bước sóng truyền dẫn tín hiệu tuyến lên.
Hình 2.14: Cấu trúc vòng Ring RoF dựa trên DWDM
Hình 2.14 biểu diễn một cấu trúc Ring quang đơn hướng tiêu biểu có thể sử dụng để cung cấp các dịch vụ không dây băng rộng. Trong CS, tất cả các nguồn quang tuyến lên và xuống đều được ghép và khuếch đại. Những kênh tuyến xuống đã điều chế và những kênh tuyến lên chưa điều chế được đưa vào sợi quang của Ring quang. Tại mỗi BS, cặp bước sóng tuyến lên và xuống được đưa qua một OADM tới EAT để đồng thời tách và điều chế kênh tuyến xuống và tuyến lên tương ứng. Các kênh tuyến lên đã được điều chế được đưa trở lại sợi xương sống và vòng trở lại tới CS thực hiện giải ghép kênh và tách. Lợi thế chính của sơ đồ vòng Ring WDM đa điểm Point - to - Point này là tập trung được tất cả các nguồn quang yêu cầu trong CS, kể cả đối với một cấu hình BS đơn giản.
Như vậy WDM cho phép khai thác hiệu quả băng thông của sợi quang. Tuy nhiên, việc truyền dẫn các tín hiệu RFoF được xem như không có hiệu quả dưới dạng tần dụng phổ tần bởi băng thông điều chế luôn chỉ là một phần nhỏ của tần số tín hiệu sóng mang. Bởi vậy, để cải thiện hiệu suất phổ ta xây dựng các hệ thống RoF WDM sử
dụng các bộ tách xen quang OADM để tách và đưa các sóng mang đã điều chế với các sóng mm vào vòng Ring sợi quang. OADM được đặt tại các trạm cơ sở và điều chỉnh để lựa chọn ra các sóng mang quang mong muốn.
CHƯƠNG 3
CẤU TRÚC VÀ GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ RoF TRONG MẠNG VIỄN THÔNG
Những mạng RoF sẽ là mạng xương sống của những hệ thống thông tin liên lạc tương lai, qua những ứng dụng khả thi và những lợi thế của chúng nên nó cần phải được xây dựng dựa trên các công nghệ hiện có. Trong chương này sẽ trình bày các ứng dụng khác nhau của RoF chủ yếu là các ứng dụng trong mạng di động tế bào trên hạ tầng mạng quang sợi.
3.1. Hạ tầng mạng truy nhập quang
Cấu hình mạng cơ bản của mạng truy nhập quang được trình bày ở Hình 3.1 dưới đây. Trong đó, các phần tử cơ bản gồm có: khối mạng quang ONU, đầu cuối mạng quang ONT, đầu cuối đường quang OLT và đầu cuối mạng NT. Cấu hình này hỗ trợ các cấu trúc truy nhập quang sau: FTTH, FTTB/Curb, và FTTCab.
Hình 3.1: Cấu hình của mạng truy nhập quang
3.2. Mạng cáp quang FTTB/FTTP/FTTx
Các hạ tầng mạng truy nhập truyền thống như dùng cặp dây xoắn, cáp đồng trục đang rất khó khăn để giữ vững vị thế với những yêu cầu lưu lượng tăng. Sợi quang với
thuộc tính tổn hao thấp và băng thông cực lớn trở nên lý tưởng để đáp ứng các yêu cầu về dung lượng hiện tại và trong tương lai. Các chi phí cho thực hiện FTTH/FTTP có thể thấp hơn khi cần ít thiết bị quang tích cực hơn và càng giảm chi phí cho bảo trì, bảo dưỡng và các chi phí khác. Một tuyến quang về cơ bản có thể xử lý bất kỳ loại lưu lượng truy nhập nào vì vậy tận dụng mạng sợi quang là một giải pháp tốt nhất.
Về cơ bản có 3 kiểu kiến trúc có thể triển khai cho mạng truy nhập sợi quang và ứng dụng công nghệ RoF.
3.2.1. Cấu trúc điểm – điểm (Point - to - Point ):
Hình 3.2: Cấu trúc điểm – điểm
Ở cấu trúc này những sợi quang riêng lẻ được kéo từ tổng đài đến mỗi nhà thuê bao, khi đó cần rất nhiều sợi quang dẫn đến chi phí lắp đặt cao, nhưng cũng cung cấp dung lượng lớn nhất và có hầu hết tính linh hoạt để nâng cấp các dịch vụ cho những khách hàng riêng.
3.2.2. Cấu trúc sao tích cực
Trong cấu trúc này một sợi quang đơn mang tất cả lưu lượng tới một nút tích cực gần những người dùng, từ nút tích cực này có các sợi quang riêng lẻ được kéo đến mỗi tủ hộp/nhà/tòa nhà.
Hình 3.3: Cấu trúc sao tích cực
Tuy nhiên với cấu trúc này nó cần giải quyết vấn đề là cấp nguồn, bảo trì và chịu được một dải nhiệt độ rộng hơn so với các thiết bị Indoor. Trong các trường hợp cần nâng cấp mạng có thể thực hiện triển khai những cáp đồng xoắn đôi, cáp đồng trục hoặc thậm chí là các tuyến vô tuyến cho các khách hàng (truy nhập không dây cố định).
3.2.3. Cấu trúc sao thụ động:
Ở đây, nút tích cực của cấu trúc sao tích cực được thay thế bởi một bộ tách/phối hợp công suất quang thụ động cung cấp tín hiệu cho các sợi quang nhánh ngắn tới phía cuối người sử dụng. Ngoài các chi phí cho lắp đặt của một tuyến fiđơ sợi quang đơn giản, bản chất hoàn toàn thụ động của một thiết bị bên ngoài đã tránh được những chi phí cho cấp nguồn và bảo trì, bảo dưỡng thiết bị tích cực trong lĩnh vực này.
Cấu hình mạng này bởi vậy đã trở nên rất phổ thông để triển khai trong các mạng truy nhập được biết đến rộng rãi như mạng quang thụ động PON và được ứng dụng để xây dựng các tuyến thông tin sử dụng công nghệ RoF.
3.3. Công nghệ RoF với hệ thống thông tin vô tuyến
Về cơ bản, RoF là 1 hệ thống truyền tín hiệu tương tự bởi vì nó phân phối dạng sóng vô tuyến trực tiếp tại tần số sóng mang sử dụng môi trường truyền dẫn quang sợi có tính tuyến tính cao. Tuy nhiên do bản chất tương tự của đường truyền quang nên chúng phải chịu một số tác động như nhiễu và méo làm giới hạn dải động của các đường truyền. Tuy nhiên RoF vẫn là công nghệ nổi trội trong những năm gần đây như một thành công về mặt thương mại nhờ một số ứng dụng nhất định. Đặc biệt, các đường truyền RoF đang ngày càng được sử dụng nhiều cho các hệ thống phủ sóng bên trong các toà nhà đối với mạng 2G.
Các ứng dụng ở Microcell và Picocell là ứng dụng lý tưởng đối với RoF vì chúng không đòi hỏi dải động rộng. Trong ứng dụng này, Một anten sẽ thu tín hiệu từ một trạm cơ sở Macrocell, tín hiệu này được khuyếch đại và đưa vào hệ thống RoF để phân phối tín hiệu đến các RAU bằng sợi quang và sau đó chúng được chuyển đổi lại, khuếch đại và bức xạ vào các Picocell nhờ các anten nhỏ. Cũng có thể sử dụng hệ thống RoF trong các ứng dụng ngoài trời với các Microcell, tuy nhiên việc kết nối truy nhập cáp sợi quang là một vấn đề quan trọng trong quá trình triển khai.
3.3.1. Mạng RoF với các hệ thống Microcellular.
Gần đây, các hệ thống microcellular quang sợi đã thu hút được nhiều sự chú ý quan tâm, trong đó các microcell nằm trong một khu vực rộng lớn và được kết nối với nhau bằng các sợi quang, tín hiệu vô tuyến được truyền trên các tuyến truyền dẫn quang sợi giữa các BS và CS.
Hình 3.6: Kết nối mạng an ten đầu xa đối với các hệ thống microcellular RoF. Sử dụng anten đầu xa cho phép việc thay đổi tần số hệ thống hay khuôn dạng điều chế thực hiện tại vị trí một trạm trung tâm mà không cần phải thay đổi bất kỳ thiết bị cổng vô tuyến nào. Anten đầu xa cũng cần phải đơn giản hóa đáp ứng những đặc
tính hệ thống như chuyển giao nhanh, gán kênh động, và tính đa dạng kết hợp. Những hệ thống microcell có thể giải quyết vấn đề hạn chế tần số bởi một số trạm cơ sở có thể đã được lắp đặt và các tần số vô tuyến có thể tái sử dụng một cách hiệu quả trong nhiều khu vực vô tuyến. Nó loại bỏ được các bộ ghép tần hay các bộ khuếch đại công suất cao tại các trạm cơ sở do có nhiều mức năng lượng thấp hơn, vùng phủ sóng giới hạn do chiều cao anten nên làm giảm mạnh nhiễu đồng kênh từ các ô khác (Hình 3.9). Một mạng microcellular có thể được hoàn thiện bằng việc sử dụng một mạng anten phân tán được cung cấp bởi mạng sợi quang như minh họa trong hình sau:
Hình 3.7: Mạng microcellular trong các hệ thống thông tin di động
Trong kiến trúc này, Macrocell truyền thống được chia ra thành các Microcell. Tại BS, Đầu ra của một Laser Nd:YAG được chia ra từng phần bởi một bộ ghép sợi quang hình sao 1xN1NR và được điều chế ngoài bởi một nhóm tín hiệu RF SCM N1NRM qua một bộ điều chế MZM. Mỗi nhóm bao gồm M sóng mang. Thực tế N1 nhóm sóng mang RF được sử dụng lại NR lần trong toàn bộ Macrocell, bởi vậy tổng số kênh cung cấp bởi laser đơn này là N1NRM.
Hình 3.8: Sơ đồ khối của tuyến Quang - Vô tuyến
Tại các cổng vô tuyến (RP) như biểu diễn trong Hình 3.8, tín hiệu tuyến xuống được tách bởi một Photo điốt qua bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) sau đó được khuếch đại tiếp bởi một bộ khuếch đại công suất trước khi được phát qua anten. Một bộ ghép sợi quang với hệ số ghép : CD/CU trong đó CD + CU = 1 được đặt ở đầu vào của RP để dành riêng phần công suất quang cho truyền dẫn tuyến lên. Công suất quang đã dành riêng được điều chế lại bởi các tín hiệu thu được từ anten sau khi qua một bộ điều chế AM và được tách ra tại BS bằng một bộ tách quang PIN riêng cho mỗi một tuyến lên. Cấu trúc phân phối này sử dụng 2 laser hồi tiếp phân tán DFB tại cả các BS và các RP nên nó thích hợp đối với hệ thống phân tán có hệ số phân đầu ra cao, Giảm mức tiêu thụ nguồn và độ phức tạp của RP do sử dụng các bộ điều chế ngoài và Đặc tính hoàn hảo của điều chế AM và kết hợp với méo do điều chế giao thoa thấp sẽ làm tăng dải động hệ thống .
Trong các microcell trong hình 3.9 dưới đây các Microcell 1A, 1B (và) 1C sử dụng cùng tần số như trong hệ thống di động hiện thời bởi thế nên không có tác động gì lớn đến việc qui hoạch tần số ngoại trừ việc có thể phải quan tâm xem xét đến nhiễu đồng kênh vì các mức công suất khác nhau trong hệ thống microcellular.
Hình 3.9: Sơ đồ mô tả hệ thống phân tán RoF với tái sử dụng tần số