Đánh giá điều kiện thời tiết Việt Nam và tính tốn suy hao thực tế có thể có

CHƢƠNG 2 : MỘT SỐ ỨNG DỤNG TIÊU BIỂU CỦA HỆ THỐNG FSO

4.2 Đánh giá điều kiện thời tiết Việt Nam và tính tốn suy hao thực tế có thể có

đối với đƣờng truyền FSO tại Việt Nam

4.2.1 Khí hậu Việt Nam

Lãnh thổ Việt Nam nằm trọn trong vùng nhiệt đới, và nằm ở rìa phía Đơng Nam của phần châu Á lục địa, giáp với biển Đông nên chịu ảnh hưởng trực tiếp của kiểu khí hậu gió mùa. Hiện tượng khí hậu chủ yếu là mưa, gió, bão.

Việt Nam có ba miền khí hậu chủ yếu, bao gồm: miền khí hậu phía Bắc, miền khí hậu phía Nam, miền khí hậu Trung và Nam Trung Bộ.

Miền Bắc Việt Nam có khí hậu nhiệt đới gió mùa với bốn mùa xn, hè, thu, đông rõ rệt. Mùa xuân miền Bắc bắt đầu từ tháng 2 cho đến hết gần tháng 4. Mùa hè từ tháng 4 đến tháng 9, vào mùa này thì nhiệt độ trong ngày khá nóng và mưa nhiều. Tháng nóng nhất thường là vào tháng 6. Tháng 5 đến tháng 8 là tháng có mưa nhiều nhất trong năm. Mùa thu chỉ vỏn vẹn trong hai tháng 9 và 10. Thu miền Bắc trời trong xanh, khơng khí mát mẻ. Mùa đơng thường vào tháng 11 đến tháng 2 năm sau, mùa này khí hậu lạnh và hanh khơ.

Miền Nam Việt Nam gồm khu vực Tây Ngun và Nam Bộ. Miền này có khí hậu nhiệt đới gió mùa điển hình với hai mùa: mùa khơ và mùa mưa (mùa mưa từ tháng tai lieu, luan van47 of 98.

4-5 đến tháng 10-11, mùa khô từ tháng 12 đến hết tháng 3 năm sau). Quanh năm, nhiệt độ của miền này cao, khí hậu miền này ít biến động nhiều trong năm.

Khí hậu miền Trung Việt Nam thì được chia ra làm hai vùng khí hậu là BắcTrung Bộ và vùng khí hậu Duyên Hải Nam Trung Bộ. Vùng Bắc Trung Bộ là vùng Bắc đèo Hải Vân, về mùa đông do bị ảnh hưởng gió mùa Đơng Bắc cộng thêm bị dãy núi Trường Sơn tương đối cao ở phía Tây (dãy Phong Nha – Kẻ Bàng) và phía Nam (tại đèo Hải Vân) trên dãy Bạch Mã chắn ở cuối hướng gió mùa Đơng Bắc. Nên vì vậy vùng này thường lạnh nhiều vào Đông và thường kèm theo mưa nhiều, do gió mùa thổi theo đúng hướng Đông Bắc mang theo hơi nước từ biển vào, hơi khác biệt với thời tiết khô hanh của miền Bắc cùng trong mùa đông. Về mùa Hè, lúc này do không cịn hơi nước nên gió mùa Tây Nam gây ra thời tiết khơ nóng (có khi tới > 40 °C, độ ẩm khơng khí thấp), gió này gọi là gió Lào.

Vùng Duyên hải Nam Trung Bộ là vùng đồng bằng ven biển Nam Trung Bộ phía Nam đèo Hải Vân nóng quanh năm.

Điều kiện sương mù:

Xét thấy khi sử dụng kĩ thuật FSO tại Việt Nam thì khơng ảnh hưởng nhiều bởi sương mù. Tại các khu vực miền Bắc thì số ngày có sương mù nhiều hơn, nhưng sương mù không nặng và tồn tại trong thời gian ngắn.

Tại các tỉnh thành phố phía Nam, nơi đơ thị phát triển nhất trong cả nước thì gần như khơng có sương mù. Bởi vậy khi xét việc ứng dụng FSO cho 1 số tuyến kết nối ta không cần quan tâm nhiều đến điều kiện sương mù.

Hệ thống thông tin quang khơng dây và vấn đề thiết kế, tính tốn, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam

Hình 4.1 Mơ tả ngày sương mù bình qn tại các tỉnh thành trên cả nước (nguồn từ Trung Tâm Khí Tượng Thủy Văn Quốc Gia )

4.2.2 Tính tốn độ suy hao tuyến FSO thực tế có thể có tại Việt Nam

Như đã xem xét từ trước, tia hồng ngoại và ánh sáng truyền qua khơng khí bị ảnh hưởng do hấp thụ và tán xạ bởi phần tử khơng khí và hạt chất lỏng và rắn. Việc truyền của ánh sáng trong môi trường khơng khí được mơ tả bằng định luật Beer Lamber:

(4.1) trong đó:

τ(λ) là hàm truyền tổng cộng của khơng khí ở bước sóng λ P(λ,L) là cơng suất tín hiệu ở khoảng cách L từ bộ phát P(λ,0) là công suất phát

γ(λ) hệ số suy hao tổng cộng trên 1 đơn vị chiều dài.

Hệ số suy hao tổng cộng bao gồm các thành phần suy hao tán xạ và hấp thụ. Nhìn chung trong điều kiện Việt Nam là tổng của các thành phần sau:

(4.2) Với:

αmưa là suy hao do hấp thụ bởi mưa

β(λ) là suy hao do tán xạ nói chung ( khơng kể đến sương mù) Để tính suy hao do mưa gây ra ta dùng cơng thức CARBONNEAU sau:

(dB/km) (4.3) Để tính suy hao do tán xạ nói chung (khơng phải sương mù) ta dùng cơng thức

(4.4)

Các cuộc nghiên cứu và thực nghiệm cho thấy giá trị hệ số q được cho theo độ phân bố kích thước hạt và cho theo cơng thức:

Hệ thống thông tin quang khơng dây và vấn đề thiết kế, tính tốn, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam

Và tầm nhìn V thì theo bảng số liệu sau: Mưa rất to trên 180mm/h, mưa đá Mưa to 50- 100mm/h, sương mù nhẹ Mưa vừa nhỏ hơn 50mm/h Mưa nhỏ đến mưa vừa Trời trong xanh Tầm nhìn (km) 0,5 1 2 4 >10

4.2.3 Tính tốn độ dự trữ cơng suất và BER tuyến FSO

Tính tốn suy hao do mưa theo công thức (4.3) tán xạ theo công thức (4.4) Loss= αmưa(λ)*range +10*log10[β(λ)*range] (4.5) Độ nhạy công suất máy thu là:

Psen = Nb.r.(hc/λ) (4.6) Với: Nb là độ nhạy máy thu (Photons/Bit)

r là tốc độ bit truyền h = hằng số Planck c là tốc độ ánh sang

Ta chỉ chú trọng vào ảnh hưởng đường truyền lên chất lượng thu nên công suất đầu vào mấy thu xác định bằng công thức:

Preceiver = Ptransmit – Loss (4.7)

Từ công suất thu Preceiver , băng thông (bằng 1/2 tốc độ nếu dùng kỹ thuật điều chế OOK), và bước sóng được dùng ta tìm được SNR (tỉ số tín hiệu trên nhiễu)

(4.8) (Với η là hiệu suất lượng tử bộ thu quang (với bộ tách sóng bằng vật liệu CCD thì η >90%)

Tỉ lệ lỗi bit: (4.9)

Vậy ta đã khảo sát khí hậu Việt Nam và chỉ ra các công thức để xác định độ suy hao, đồng thời đưa ra các tham số tính tốn đánh giá chất lượng của tuyến FSO.

4.3 Thiết kế, tính tốn và tối ƣu tuyến FSO

4.3.1 Lưu đồ thuật tốn, chương trình và kết quả tính tốn bằng Matlab

Dựa trên những thơng tin có được, ta xây dựng thuật tốn tìm phương án tối ưu cho 1 tuyến quang tại Việt Nam.

Thông số đầu vào là:

 Khoảng cách tuyến FSO: 1km;

 mưa: 120mm/h

 độ nhạy(photon/bit): 88303

Các yếu tố được kiểm tra cho đường truyền chất lượng tốt nhất là: - công suất phát : (10dBm - 20dBm)

- tốc độ truyền: 2,048Mbps, 100Mbps, 155Mbps, 625Mbps, 1Gbps, 1,25Gbps.

Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính tốn, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam

 Lƣu đồ thuật toán

Yes

Yes

No

No

START

Nhập dữ liệu đầu vào (khoảng cách link, lượng mưa, độ nhạy photon/bit) Tính tầm nhìn (visibility) và hệ số q

2 vịng lặp qt các tốc độ và bước sóng khả dụng

Tính độ nhạy máy thu và suy hao tổng

Vịng lặp qt các giá trị cơng suất khả dụng

Ghi lại thơng số Tính BER

END

P-re > P-sen + Margin

Quét hết giá trị Rate, λ BER < BERmax (rate,bước sóng)

Quét hết giá trị Power tai lieu, luan van53 of 98.

 Chƣơng trình Matlab

%chuong trinh toi uu hoa kenh FSO %nhap du lieu dau vao gom

%photon/bit sensivity, luong mua toi da, khoang cach;

%----------------------------------------------------------------------------------------- Nb=88303; %photon/bit sensivity

rain=120; %mm/h range=1; %km

%----------------------------------------------------------------------------------------- %khoi tao gia tri ban dau cho cac bien

P_transmit=(10:0.5:25); %cong suat phat (dBm) lamda=(830:10:1550); %buoc song kha dung (nm) rate=[2.048 100 155 625 1000 1250]; %toc do bit (Mbps) visibility=0; %tam nhin theo dk thoi tiet

q=0; %he so tinh suy hao tan xa n=0.9; %quantium efficiency

BERmax=[ 1 1 1 1 1 1]; %gia tri mac dinh cua BERmax P_transmit_optimize=BERmax;

lamda_optimize=BERmax; loss=0;

extra_V=0; % khong co su can tro tam nhin nao khac RAIN %--------------------------------------------------------------------------------------- %tinh visibility from rain

%------------------------------------------------------------------------------------ if (rain>=100)

visibility=-3.375*rain+1040; %unit:meter end

if (rain>=50 & rain<100) visibility=-4.6*rain+1230; end

if (rain>=25 & rain<50)

Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính tốn, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam

end

if (rain>=12.5 & rain<25) visibility=-72*rain + 3700; end

if (rain>=2.5 & rain<12.5) visibility=-310*rain + 6675; end

if (rain>=2.5 & rain<12.5) visibility=-310*rain + 6675; end if (rain<2.5) visibility=-5422*rain + 19455; end %------------------------------------------------------------------------------------- %cong them extra_visibility neu co

visibility=visibility+extra_V;

%------------------------------------------------------------------------------------ %tao ma tran P_receive

a=[ 1 1 1 ; 1 1 1 ; 6 73 31];

P_receive=accumarray(a,[0 0 0]); %tao 1 matix[6x73x31] [i j k] (rate X lamda X power) toan gia tri 0;

BER=P_receive;

%-------------------------------------------------------------------------------------- %tinh he so q trong cong thuc tinh suy hao do tan xa noi chung

if (visibility>50000) q=1.6;

end

if (visibility>6000 & visibility<=50000) q=1.3;

end

if (visibility>1000 & visibility<=6000) q=0.16*visibility/1000 + 0.34; tai lieu, luan van55 of 98.

end

if (visibility>500 & visibility<=1000) q=visibility/1000-0,5; end if (visibility<500) q=0; end %----------------------------------------------------------------------------------------- for i=1:6 %vong lap quet cac toc do bit

for j=1:73 %vong lap quet cac buoc song tu 830 -> 1550 P_sensitivity(i,j) = Nb*rate(i)*10^6* 6.625*10^(- 34)*3*10^8/(lamda(j)*10^(-9));

%tinh P_sensivity(theo buoc song "lamda" va toc do "rate") P_sensitivity(i,j)= 10*log10(P_sensitivity(i,j)) +30 ; %dBm

beta(j)=exp( (3.912*1000/visibility) * ((lamda(j)/550)^(-q ))*range ); %suy hao tan xa chung

loss(j)=1.076*(rain^0.67)*range +10*log10(beta(j)); %tinh suy hao tong (theo buoc song lamda)

for k=1:31 %vong lap quet cac gia tri cong suat dung duoc

P_receive(i,j,k)=P_transmit(k) - loss(j); %5dBm for magin %tinh P_receive theo cong suat phat va buoc song

SNR=n*lamda(j)*10^(-9)*10^(P_receive(i,j,k)/10)*10^(- 3)/((rate(i)*10^6/2)*6.625*10^(-34)*3*10^8);

SNR=10*log10(SNR); %ti so tin hieu tren nhieu (dBm) BER(i,j,k)=0.5*erfc((SNR/2)^0.5); %Bit Error Ratio if ((BER(i,j,k)<=10^(-3)) & (BER(i,j,k)< BERmax(i)) &

(P_receive(i,j,k) >P_sensitivity(i,j))) %10 la do du tru cong suat(dBm)) %kiem tra thoa BER va so voi BERmax de tim to hop toi uu

BERmax(i)=BER(i,j,k);

Hệ thống thông tin quang khơng dây và vấn đề thiết kế, tính tốn, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam

lamda_optimize(i)=lamda(j); end

end end end

figure(1); % Vẽ đồ thị BER theo công suất phát ở tốc độ 1.25Gbps, 1550nm

BER_1250M_1550nm=BER(6,73,:) ; % BER cho toc do 1Gbps va bước sóng 1550nm

plot(P_transmit(:),BER_1250M_1550nm(:)); xlabel('Transmit power (dBm)')

ylabel('BER')

title('BER at 1.25Gbps & 1550nm')

text(-pi/4,sin(-pi/4),'\leftarrow sin(-\pi\div4)',... 'HorizontalAlignment','left') figure(2); % Vẽ đồ thị BER theo công suất phát ở tốc độ 100Mbps, 830nm

BER_100M_830nm=BER(2,1,:) ; % BER cho toc do 1Gbps va bước sóng 830nm plot(P_transmit(:),BER_100M_830nm(:)); xlabel('Transmit power (dBm)') ylabel('BER') title('BER at 100Mbps & 830nm') text(-pi/4,sin(-pi/4),'\leftarrow sin(-\pi\div4)',... 'HorizontalAlignment','left') figure(3);

BER_625M_1300=BER(4,48,:) ;% BER cho toc do 1Gbps va buoc song 1300nm

plot(P_transmit(:),BER_625M_1300(:)); xlabel('Transmit power (dBm)')

ylabel('BER')

title('BER at 625Gbps & 1300nm')

text(-pi/4,sin(-pi/4),'\leftarrow sin(-\pi\div4)',... 'HorizontalAlignment','left') tai lieu, luan van57 of 98.

 Kết quả bằng đồ thị của chƣơng trình tính tốn bằng Matlab

4.3.2 Mô phỏng tuyến FSO 1km bằng phần mềm Optisystem 7.0

 Mô tả các thành phần trong tuyến:

 Bộ phát: Gồm 8 bộ transmiter phát tương ứng 8 tần số sóng mang nằm trong dải 193.55THz - 194.95THz, cách đều nhau 200GHz so với tần số lân cận và được ghép lại thông qua bộ WDM MUX 8-1 để truyền qua kênh FSO, với đặc tính chung nhu sau:

- Cơng suất : 10dBm – 25dBm, - Bit rate : 1.25Gbps

- Loại điều chế : RNZ - Loại máy phát : EML

Hình 4.2 BER thay đổi theo công suất phát ở 1550nm và tốc độ 1.25Gbps

Hình 4.3 Preceive thay đổi theo BER bước sóng 1550nm và tốc độ 1,25Gbps

Hệ thống thơng tin quang khơng dây và vấn đề thiết kế, tính tốn, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam

 WDM MUX 8-1: Bộ ghép kênh phân chia theo bước sóng với 8 đầu vào.  Kênh truyền FSO

- Khoảng cách tuyến : 1km

- Độ suy hao tổng( tính từ chương trình Matlab) : 35.22dB/Km - Bán kính miệng máy phát: 5cm

- Bán kính miệng máy thu : 20cm - Độ trải rộng chùm tia : 2mrad

 Bộ thu:

- Bộ tách sóng( photodetector) : PIN - Hệ số khếch đại : 3 dB

- Hệ số đáp ứng quang điện : 0.6024A/W

- Bộ lọc thông thấp : Tần số cutoff = 0.75*Bit rate - Tần số trung tâm : tương ứng với mỗi tần số máy phát - Độ nhạy máy thu xấp xỉ : -18.491dBm

 Bộ giải kênh DEMUX 1-8

 Mơ hình tuyến FSO 1km

Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính tốn, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam

 Kết quả mô phỏng

Kênh 7:

Hình 4.5 Giản đồ mắt và min BER channel 7

Kênh 3:

Hình 4.6 Giản đồ mắt và channel kênh 3

 Kết luận

Từ kết quả tính tốn và mơ phỏng, ta thấy tuyến FSO 1km, trong điều kiện mưa 100mm/h tín hiệu thu được đạt yêu cầu với BER 10-5– 10-6 (hình 4.5, 4.6), và kết quả này cũng đúng với tính tốn bằng FSO. Trong điều kiện mưa trên 100mm/h chỉ xảy ra dưới 1% (4 ngày/năm) thì FSO là hồn tồn có thể được áp dụng trong những trường hợp cụ thể với xác suất vận hành tốt là 99%.

Từ phần mơ phỏng ta có thể thấy khả năng mở rộng băng thơng của tuyến FSO cho những yêu cầu tốc độ cao. Và sau khi phát triển hồn thiện chương trình tính tốn bằng Matlab, ta có thể đưa ra những khuyến nghị các lựa chọn tối ưu cho một tuyến FSO tại một điều kiện ở Việt Nam.

Hệ thống thông tin quang khơng dây và vấn đề thiết kế, tính tốn, tối ưu tuyến