HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG - BÙI QUỐC VƢƠNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY LAI GHÉP RF/ FSO Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 60.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI – 2016 Luận văn đƣợc hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS TS Đặng Thế Ngọc Phản biện 1: PGS TS Bùi Trung Hiếu Phản biện 2: TS Phạm Mạnh Lâm Luận văn đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Công nghệ Bƣu Viễn thông Vào lúc: 45 ngày 11 tháng 03 năm 2017 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thƣ viện Học viện Công nghệ Bƣu Viễn thông MỞ ĐẦU Trong năm gần đƣợc chứng kiến nhu cầu ngày tăng ngƣời dùng đầu cuối băng thông truyền thông không dây, nhằm hỗ trợ dịch vụ băng rộng nhƣ: truyền hình độ nét cao (HDTV), dịch vụ VideoCall, truy cập internet tốc độ cao, hội nghị truyền hình trực tuyến vv… Để đáp ứng nhu cầu này, đòi hỏi băng thông truyền dẫn rộng hơn, tốc độ nhanh Trong mạng truy nhập, số công nghệ đƣợc sử dụng để giải nhu cầu truyền dẫn ngƣời dùng đầu cuối bao gồm công nghệ dựa cáp đồng, lai ghép cáp sợi quang – cáp đồng trục (HFC), cáp quang tới tận nhà, công nghệ không dây băng rộng sóng cao tần RF Trong tƣơng lai gần, thực tế rõ ràng công nghệ cao tần RF với hạn chế nhƣ giới hạn băng thông, khan phổ tần số, vấn đề an ninh, giấy phép chi phí cao việc lắp đặt khả tiếp cận, đáp ứng nhu cầu tới Gần đây, công nghệ truyền dẫn quang không dây (FSO) đời đƣợc xem nhƣ giải pháp hiệu quả, thay bổ sung cho công nghệ truyền thông không dây sóng cao tần (RF) Với ƣu điểm vƣợt trội nhƣ tốc độ cao, chi phí thấp, không yêu cầu cấp phép tần số, triển khai nhanh linh hoạt Hệ thống truyền tải lƣợng lớn liệu lên đến 10 Gb/s Tuy nhiên, công nghệ FSO gặp phải số hạn chế định nhƣ bị ảnh hƣởng mạnh tạp âm, nhiễu loạn không khí điều kiện thời tiết xấu nhƣ gió, sƣơng mù, khói, tuyết … Để tận dụng ƣu điểm khắc phục hạn chế hai công nghệ RF FSO, hệ thống truyền thông lai ghép RF/FSO đƣợc đề xuất Đây đƣợc xem nhƣ giải pháp linh hoạt hiệu cho kết nối mạng truy nhập backhaul tƣơng lai CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY FSO 1.1 Giới thiệu hệ thống FSO Khác hệ thống không dây thông thƣờng, FSO công nghệ truyền quang qua không gian tự Ƣu điểm hệ thống sử dụng không yêu cầu phải đăng ký phổ hay phối hợp tần số với nhà khai thác khác, đồng thời nhiễu thiết bị đƣợc hạn chế Một ƣu điểm tín hiệu laser điểm – điểm khó để can thiệp, tính bảo mật cao Tốc độ liệu so sánh với truyền dẫn qua sợi quang tỉ lệ lỗi thấp Ngoài việc sử dụng chùm laser có độ rộng phổ hẹp đảm bảo cho khả lắp đặt nhiều thu, phát địa điểm Hiện nhà cung cấp dịch vụ không ngừng đƣa ứng dụng nên nhu cầu dịch vụ băng thông rộng mạng đô thị lớn Tuy nhiên, chênh lệch tốc độ truyền dẫn mạng lõi mạng truy nhập tạo cân Sự cân thƣờng đƣợc gọi “nghẽn cổ chai” Hiện tƣợng “nghẽn cổ chai” xuất khắp nơi mạng đô thị Hình 1.1: Hiện tƣợng nghẽn cổ chai mạng Một lựa chọn khác công nghệ không dây sử dụng tần số vô tuyến RF (Radio Frequency) Công nghệ cho phép truyền khoảng cách xa FSO, nhƣng mạng dựa RF yêu cầu đầu tƣ lớn phải đăng ký dải phổ Hơn nữa, công nghệ RF gặp phải khó khăn muốn mở rộng lên dung lƣợng cao Khi so sánh với FSO, RF không đảm bảo hiệu kinh tế cho nhà cung cấp dịch vụ trông đợi vào mở rộng dung lƣợng mạng quang Lựa chọn thứ ba công nghệ dựa dây cáp đồng (nhƣ Ethernet, T1s hay DSL) Mặc dù hạ tầng cáp đồng có mặt khắp nơi số tòa nhà sử dụng cáp đồng cao sợi quang nhƣng giải pháp thỏa đáng việc giải tƣợng nghẽn cổ chai trở ngại lớn độ rộng băng thông Công nghệ cáp đồng giải số vấn đề ngắn hạn, nhƣng hạn chế băng thông mức 2Mbit – 3Mbit/s khiến cho công nghệ giải pháp tạm thời Giải pháp thứ tƣ thích hợp FSO Công nghệ giải pháp tối ƣu nhờ ƣu điểm công nghệ quang nhƣ độ rộng băng thông, tốc độ triển khai (vài so với vài tuần vài tháng), độ mềm dẻo (có thể tái triển khai chuyển dịch), hiệu kinh tế cao (trung bình chi phí lắp đặt 1/5 so với lắp đặt cáp quang) Môi trƣờng truyền dẫn hệ thống FSO không gian tự do, phụ thuôc vào phạm vi truyền dẫn mà hệ thống FSO đƣợc phân loại thành loại nhƣ sau: FSO nhà (Indoor FSO) FSO trời (Outdoor FSO) Đối với FSO nhà môi trƣờng truyền dẫn khoảng không tòa nhà Đây môi trƣờng ổn định, không chịu nhiều biến đổi, chi phối khí hậu bên FSO trời ngƣợc lại Môi trƣờng truyền dẫn loại bầu khí Là môi trƣờng có tính ổn định chịu ảnh hƣởng mạnh mẽ từ yếu tố môi trƣờng nhƣ sƣơng mù, mƣa nhiễu từ ánh sáng bên … 1.1.1 Các lợi thách thức hệ thống FSO  Các lợi FSO - Không yêu cầu giấy phép phổ tần vô tuyến - Không bị ảnh hƣởng nhiễu điện từ - Dễ dàng triển khai lắp đặt - Khả bảo mật cao  Các thách thức hệ thống FSO Giới hạn FSO môi trƣờng truyền dẫn gây Ngoài việc tuyết mƣa làm cản trở đƣờng truyền quang, FSO chịu ảnh hƣởng mạnh sƣơng mù nhiễu loạn không khí Những thách thức việc thiết kế hệ thông FSO: - Sƣơng mù - Sự nhấp nháy - Sự trôi búp - Giữ thẳng hƣớng phát-thu tòa nhà dao động - Sự an toàn cho mắt 1.1.2 Ứng dụng công nghệ FSO Các giải pháp FSO cho phép loại bỏ: - Tắc nghẽn lƣu lƣợng - Yêu cầu xin phép cấp giấy phép - Việc đào rãnh, cống đặt cáp - Vấn đề liên quan tới hợp đồng thuê (cho thuê) tòa nhà - Tốn thời gian lắp đặt - Chi phí cao  Hệ thống FSO vấn đề an ninh mạng Mặc dù FSO công nghệ không dây nhƣng không phát quảng bá tới ngƣời tất ngƣời FSO phát búp sóng ánh sáng hẹp, tần số cao tới nơi xác định Do khó cho cá nhân thu trộm thông tin mà không bị phát 1.2 Mô hình hệ thống FSO Hệ thống FSO gồm ba phần: phát, kênh truyền thu Hình 1.2: Mô hình hệ thống FSO 1.2.1 Bộ phát Dữ liệu đầu vào phía nguồn đƣợc truyền tới đích xa Phía nguồn có chế điều chế sóng mang quang riêng, chẳng hạn nhƣ điều chế laser, tín hiệu quang sau đƣợc truyền qua kênh khí Các tham số hệ thống phát quang kích cỡ, công suất chất lƣợng búp sóng, tham số xác định cƣờng độ laser góc phân kỳ nhỏ đạt đƣợc từ hệ thống Phƣơng thức điều chế đƣợc sử dụng rộng rãi phát điều chế cƣờng độ (IM), cƣờng độ phát xạ nguồn quang đƣợc điều chế số liệu cần truyền Việc điều chế đƣợc thực thông qua việc thay đổi trực tiếp cƣờng độ nguồn quang phát thông qua điều chế nhƣ giao thoa MZI Việc sử dụng điều chế nhằm đảm bảo tốc độ liệu đạt đƣợc cao so với điều chế trực tiếp Các thuộc tính khác trƣờng xạ quang nhƣ pha, tần số trạng thái phân cực đƣợc sử dụng để điều chế với với liệu/thông tin thông qua việc sử dụng điều chế Nguyên lý cấu tạo chung phát laser gồm có: buồng cộng hƣởng chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi hệ thống dẫn quang Trong buồng cộng hƣởng với hoạt chất laser phận chủ yếu Buồng cộng hƣởng chứa hoạt chất laser, chất đặc biệt có khả khuếch đại ánh sáng phát xạ cƣỡng để tạo tia laser Khi photon tới va chạm vào hoạt chất kéo theo photon khác bay theo hƣớng với photon tới Mặt khác buồng cộng hƣởng có mặt chắn hai đầu, phản xạ hoàn toàn photon bay tới, mặt cho phần photon qua phần phản xạ lại làm cho hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn Vì cƣờng độ chùm laser đƣợc khuếch đại lên nhiều lần Hình 1.3: Cấu tạo nguyên lý hoạt động Laser Ngoài ra, việc tạo tín hiệu phát đƣợc thực loại nguồn khác đƣợc mô tả bảng 1.2 1.2.2 Bộ thu Bộ thu hỗ trợ việc khôi phục liệu đƣợc phát từ phía phát Bộ thu bao gồm thành phần sau: Khẩu độ thu – Tập hợp tập trung phát xạ quang tới tách sóng quang Khẩu độ (độ mở) thu lớn giúp tập hợp đƣợc nhiều phát xạ quang vào tách sóng quang Bộ lọc thông dải quang – Bộ lọc thông dải làm giảm lƣợng xạ Bộ tách sóng quang – PIN APD chuyển đổi trƣờng quang đến thành tín hiệu điện Các tách sóng quang thƣờng đƣợc dùng hệ thống truyền thông quang đƣợc tóm tắt bảng 1.3 Mạch xử lý tín hiệu – Có chức khuếch đại, lọc xử lý tín hiệu để đảm bảo tính xác cao liệu đƣợc khôi phục Có hai loại thu quang bản: thu không kết hợp thu kết hợp Bộ thu không kết hợp tách trực tiếp công suất tức thời trƣờng quang tập trung chúng tới thu, thƣờng đƣợc gọi thu tách trực tiếp tách công suất Loại thu loại đơn giản việc thực đƣợc sử dụng thông tin truyền xuất biến đổi công suất (ví dụ IM) trƣờng quang Đối với thu kết hợp, hay gọi thu heterodyne, trộn lẫn trƣờng sóng ánh sáng cục phát với trƣờng ánh sáng thu đƣợc, sóng kết hợp đƣợc tách photon Loại thu thƣờng đƣợc sử dụng thông tin đƣợc điều chế dựa sóng mang quang sử dụng điều biên (AM), điều tần (FM) điều pha (PM), cần thiết cho tách sóng FM PM Quá trình tách trƣờng quang bị tác động nhiều loại nguồn nhiễu khác xuất thu Ba loại nguồn nhiễu chủ yếu truyền thông FSO là: ánh sáng xung quanh, tách photon gây nhiễu, nhiễu nhiệt mạch điện tử 1.3 Các yếu tố ảnh hƣởng lên hiệu hệ thống FSO 1.3.1 Nhiễu lƣợng tử 1.3.2 Nhiễu nhiệt 1.3.3 Nhiễu dòng tối nhiễu 1.3.4 Các yếu tố khác 1.4 Kết luận chƣơng Nội dung chƣơng giới thiệu khái quát hệ thống truyền thông quang qua không gian tự nhƣ mô hình hệ thống FSO, yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu hệ thống Tƣơng lai ngày đòi hỏi phải có giải pháp truyền dẫn tốc độ cao để đáp ứng yêu cầu doanh nghiệp, tổ chức cá nhân Các giải pháp cần phải có chi phí hiệu quả, triển khai nhanh, truyền dẫn thông tin cách an toàn tin cậy FSO đáp ứng yêu cầu đƣợc sử dụng ngày nhiều tƣơng lai CHƢƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY 2.1 Suy hao hệ thống RF FSO 2.1.1 Suy hao hệ thống RF 2.1.2 Suy hao hệ thống FSO 2.2 Fading hệ thống RF 2.2.1 Hiện tƣợng đa đƣờng (Multipath) 2.2.2 Hiệu ứng Doppler 2.2.3 Các dạng kênh truyền 2.2.4 Các mô hình kênh fading  Mô hình kênh fading Reyleigh Trong kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thƣờng đƣợc dùng để mô tả chất thay đổi theo thời gian đƣờng bao tín hiệu fading phẳng thu đƣợc đƣờng bao thành phần đa đƣờng riêng lẻ Chúng ta biết đƣờng bao tổng hai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao tuân theo phân bố Rayleigh Phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất:  r  r2  exp     (0  r  ) p(r )    2   (r  0)  (2.10) Với σ giá trị rms (hiệu dụng) điện tín hiệu nhận đƣợc trƣớc tách đƣờng bao (evelope detection) σ2 công suất trung bình theo thời gian Xác suất để đƣờng bao tín hiệu nhận đƣợc không vƣợt qua giá trị R cho trƣớc đƣợc cho hàm phân bố tích lũy:   R2    2  Giá trị trung bình rmean phân bố Rayleigh đƣợc cho bởi: P ( R)  Pr (r  R)   p(r )dr   exp    rmean  E[r ]   rp  r  dr     1.2533 (2.11) (2.12) Và phƣơng sai  r (công suất thành phần ac đƣờng bao tín hiệu):   r  E  r   E [r ]   rp  r  dr   Giá trị hiệu dụng đƣờng bao          0.4292 2 2  (2.13) 2 (căn bậc hai giá trị trung bình bình 10 với quy mô nhỏ tạo hiệu ứng nhiễu xạ làm sai lệch biên độ sóng gây biến thiên biên độ 2.3.2 Môi trƣờng truyền dẫn Kênh truyền dẫn quang khác so với kênh nhiễu Gauss thông thƣờng, tín hiệu đầu vào kênh, x(t), thể công suất biên độ Điều dẫn tới hai điều kiện ràng buộc tín hiệu đƣợc truyền: x(t) phải không âm giá trị trung bình x(t) không đƣợc vƣợt giá trị quy định T  x  t dt T  2T T  max  lim (2.18) Trái ngƣợc với kênh thông thƣờng, nơi mà SNR tỉ lệ với công suất, hệ thống quang công suất điện thu đƣợc phƣơng sai nhiễu nổ tỷ lệ tƣơng ứng với Ad2 Ad; Ad kích thƣớc vùng tách sóng quang Do hệ thống truyền dẫn quang bị hạn chế nhiễu nổ, SNR tỉ lệ với Ad Điều có nghĩa với công suất phát cho, đạt đƣợc SNR cao việc sử dụng tách sóng có vùng tách sóng lớn Tuy nhiên, điện dung tách sóng tăng theo Ad dẫn đến hạn chế băng thông Kênh truyền quang không dây bao gồm loại khí nhƣ bảng 2.3 Ngoài ra, kênh truyền bao gồm mƣa, sƣơng mù loại khác nƣớc Lƣợng nƣớc có kênh truyền phụ thuộc vào vị trí (kinh độ, vĩ độ) theo mùa Sự tập trung nƣớc lớn gần bề mặt trái đất nằm tầng đối lƣu Với phân bố kích thƣớc dải thành phần khí từ micromet tới centimet, trƣờng quang qua khí bị tán xạ hấp thụ gây suy hao 2.3.3 Lệch hƣớng phát-thu Lỗi định hƣớng (sự lệch hƣớng) tổng độ dịch tâm chùm tia tâm độ thu Sự lệch hƣớng đƣợc tổng quát gồm yếu tố: lệch hƣớng cố định lệch hƣớng ngẫu nhiên Trong đƣờng truyền thẳng hệ thống FSO, độ xác định hƣớng vấn đề quan trọng việc xác định hiệu đƣờng truyền độ tin cậy Tuy nhiên, gió giãn nhiệt độ dẫn tới rung lắc tòa nhà, điều gây lệch hƣớng fading tín hiệu phía thu Thu đƣợc mô hình thống kê cho lệch hƣớng, mà xác định kích thƣớc độ thu, độ rộng chùm tia, phƣơng sai jitter 11 Hình 2.6: Mô hình lệch hƣớng chùm tia Đối với chùm tia Gauss, phân bố chuẩn hóa theo không gian cƣờng độ tín hiệu phát khoảng cách z từ phát xác định theo:   2 I beam   ; z   exp     z  z   (2.19) Với  vec tơ bán kính từ tâm chùm tia, z độ rộng búp quang (bán kính tính  2 ) khoảng cách z 2   z    z  0 1        0    (2.20)  Với 0 độ rộng búp quang z = 0,    202 / 02 ( z) 0 ( z)   0.55Cn2 k z  3 độ dài kết hợp Với độ thu bán kính a tham số chùm tia Gauss phía thu I beam , đƣợc hình 2.6 Sự suy hao giãn rộng hình học với độ lệch r đƣợc xác định: hp  r ; z    I beam    r ; z  d  (2.21) A Với hp . ký hiệu cho tỷ lệ công suất thu đƣợc thu A diện tích vùng thu 2.3.4 Mô hình kênh nhiễu loạn không khí Trƣờng xạ (cƣờng độ) môi trƣờng nhiễu loạn I  A r  cƣờng độ không gian tự (không có nhiễu loạn) đƣợc cho công thức 12 I  A0  r  , cƣờng độ theo hàm log đƣợc cho công thức: A r  l  log e  2 A0  r  (2.33) Phƣơng sai chuẩn hóa cƣờng độ, thƣờng đƣợc biết đến dƣới tên gọi số nhấp nháy (S.I.) đƣợc biểu diễn nhƣ sau:  I2 S.I   N   exp  l2   I0 (2.41) Nhƣ vậy, mô hình kênh log chuẩn phù hợp cho kênh nhiễu loạn yếu  Mô hình kênh nhiễu loạn Gamma-Gamma Bức xạ chuẩn hóa I=XY đƣợc phân chia thành hệ số hoạt động giống nhƣ trình điều chế X Y xuất tƣơng ứng, từ cấp độ lớn (large- scale) cấp độ nhỏ (small-scale) hiệu ứng không khí Giả sử hai cấp độ mạnh cấp độ yếu dao động xạ đƣợc hình thành phân bố gamma:  ( X ) 1 pX ( X )  exp( X ),  0, X  ( )  ( Y) 1 pY (Y)  exp( X ),   0, Y  (  ) (2.42) (2.43) Hàm phân bố tích lũy CDF (cummulative distribution function) hàm mật độ xác suất Gamma-Gamma PDF đƣợc viết dạng gần Hàm phân phối tích lũy CDF đƣợc liên kết với phân bố Gamma-Gamma đƣợc viết thành:  P ( I  IT )   p( I )dI  sin  (   ) ( )(  ) IT  ( IT )   F (  ;   1,     1; IT ) l   (     1)    ( IT ) F (  ;   1,     1;  I )  T (    1)l  (2.48) 13 Sự phân bố log-normal mô tả hiệu ứng nhấp nháy chế độ nhiễu loạn mạnh Trong đó, để thiết lập mô hình kênh, phân bố Gamma-Gamma đƣợc sử dụng cho mô hình fading khí Trong trƣờng hợp này, PDF đƣợc cho là:     /2     1   fha (ha )  (ha ) K    ( )      (2.51) Trong K  (.) hàm Bessel cải tiến loại hai, 1/β 1/α phƣơng sai nhiễu loạn quy mô nhỏ lớn tƣơng ứng Ngƣời ta chứng minh PDF GammaGamma phù hợp với phép đo dƣới nhiều điều kiện nhiễu loạn 2.4 Kết luận chƣơng Nội dung chƣơng trình bày khái niệm mô hình giải tích tham số đƣờng truyền FSO nhƣ RF Trong đó, FSO bao gồm suy hao đƣờng truyền, nhiễu loạn không khí yếu, mạnh lệch hƣớng RF bao gồm suy hao kênh truyền fading Dựa mô hình kênh nêu chƣơng 2, việc phân tích, đánh giá hiệu hệ thống lai ghép RF/FSO dƣới ảnh hƣởng nhiễu loạn lệch hƣớng đƣợc trình bày chƣơng 14 CHƢƠNG 3: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY LAI GHÉP RF/FSO 3.1 Giới thiệu hệ thống lai ghép RF/FSO Trong nhu cầu mạng không dây RF tiếp tục tăng chƣa đáp ứng đƣợc nhu cầu ngƣời sử dụng, công nghệ FSO bắt đầu lên nhƣ giải pháp tối ƣu cho viễn thông Tuy nhiên, hạn chế lớn công nghệ FSO đòi hỏi trì tầm nhìn thẳng (LOS), tuyến FSO bị ảnh hƣởng mạnh điều kiện thời tiết bất lợi nhƣ sƣơng mù tuyết rơi nặng Những đặc tính bổ sung RF FSO thúc đẩy nghiên cứu hệ thống lai ghép RF/FSO, điểm yếu loại liên kết đƣợc giảm thiểu Hệ thống truyền thông không dây lai ghép RF/FSO đƣợc xem nhƣ giải pháp tối ƣu cho việc truyền liệu tốc độ bit cao qua môi trƣờng nhiễu loạn mạnh thời tiết xấu [8] Chƣơng trình bày hiệu hệ thống với mô hình kênh thích hợp tính toán xác suất dƣới ngƣỡng (dừng) nhƣ tỷ lệ lỗi bit (BER) Mô hình kênh Rayleigh đƣợc sử dụng cho tuyến RF môi trƣờng có nhiều đối tƣợng làm phân tán tín hiệu vô tuyến trƣớc đến thu Mô hình kênh phân bố Gamma-Gamma thích hợp cho việc mô hình hóa xạ tuyến FSO môi trƣờng từ nhiễu loạn mạnh tới yếu 3.2 Mô hình hệ thống Hiệu liên kết RF/FSO bất đối xứng với giả định tuyến RF tuyến FSO có fading Rayleigh fading Gamma-Gamma Kỹ thuật chuyển tiếp dùng chế khuếch đại chuyển tiếp (AF) với hệ số khuếch đại cố định đƣợc xem xét Dựa kỹ thuật chuyển tiếp, hệ thống đƣợc thiết kế cách sử dụng tuyến FSO chặng tuyến RF chặng khác Nút nguồn S kết nối với điểm đến, nút D, thông qua nút chuyển tiếp R nhƣ hình 3.1 [8] Hình 3.1: Mô hình hệ thống lai ghép RF/FSO 15 Với P1 công suất phát từ nguồn S Nếu nút chuyển tiếp có độ khuếch đại cố định, ta đặt C  G N01 , SNR đƣợc viết lại thành:   1 2 C (3.6) h12 P1  2I Với     lần lƣợt SNR tuyến RF FSO N01 N02 3.2.1 Mô hình kênh liên kết RF Fading Rayleigh mô hình đƣợc sử dụng môi trƣờng có nhiều đối tƣợng làm phân tán tín hiệu vô tuyến trƣớc đến thu Vì vậy, giả định tuyến liên kết S-R (RF) có phân bố Rayleigh [6] với hàm mật độ xác suất (PDF): f     exp    1  1  (3.7) Với  SNR trung bình tuyến RF 3.3.2 Mô hình kênh liên kết FSO Trong luận văn này, để mô hình hóa tuyến FSO điều kiện nhiễu loạn mạnh vừa, ta dùng phân bố fading Gamma – Gamma, hàm PDF đƣợc cho [4], [6]:          I      I fI  I          I 1  K       I I  , I    (3.8) Một mô hình có ý nghĩa cho việc ƣớc lƣợng tham số biến động đƣợc đề xuất Hufnagel Stanley Biểu thức toán học nhƣ sau: Cn2  h   K0h1 exp   h h0  (3.14) Với K0 số nhiễu loạn, phụ thuộc vào địa điểm lắp đặt tuyến quang không dây cụ thể, h độ cao Một mô hình khác cho việc ƣớc tính thông số nhiễu loạn khí quyển, Cn2 , mô 16 hình SLC ban ngày ban đêm, phụ thuộc vào chiều cao nơi tuyến FSO hoạt động Lƣu ý giá trị đƣợc sử dụng chủ yếu alpha beta (α = 4,2, β = 1,4) cho nhiễu loạn mạnh (α = 4, β = 1,9) cho nhiễu loạn vừa với bƣớc sóng khoảng 785 nm phạm vi khoảng từ 20 m đến km 3.3 Mô hình toán học đánh giá hiệu hệ thống 3.3.1 Mô hình toán học tính toán xác suất dƣới ngƣỡng (dừng) Xác suất dƣới ngƣỡng đƣợc định nghĩa [8]: Pout  Pr    ,     th  (3.17) Với  th ngƣỡng SNR,   lần lƣợt SNR tức thời tuyến FSO RF,   độc lập với Công thức 3.17 đƣợc viết thành [7]:    1    th   f d   2 C  (3.18)  (3.19) Pout   Pr  Ta có:   1    th     2 C  Pr   th 1   C        C   f d    exp   th   21   Xác suất dƣới ngƣỡng (dừng) đƣợc viết:          Pout   exp   th  E       th             2 (3.20)    thC    K      d 2     1  (3.21) Với tích phân E  th  đƣợc viết thành:  E  th     2    41 exp   3.3.2 Tỷ lệ lỗi bit trung bình Tƣơng tự, kênh RF FSO đƣợc giả định với phân bố fading Rayleigh 17 Gamma-Gamma Nếu coi P (e | γ) biểu thị xác suất lỗi bit có điều kiện kênh AWGN, xác suất lỗi trung bình đƣợc thể nhƣ sau [8]:  (3.22) Pe   P  e   f d Xác suất lỗi có điều kiện đƣợc cho bởi: P e    Q    (3.23) Với  lần lƣợt cho điều chế BPSK QPSK Thế 3.23 vào 3.22 ta có: Pe  2     t2   exp    f   dtd  2    t2   t2  0 F    exp    dt (3.24) Ở đây, F hàm phân phối tích lũy (CDF) biến  Đặt x  t , tỷ lệ lỗi trung bình đƣợc viết lại thành: Pe  2   x  dx 0 F    x (3.25) Theo nhƣ công thức 3.20, sử dụng hàm CDF thay biến  th  ta có xác suất dƣới ngƣỡng đƣợc viết thành:          F   exp   th  E                   2 Thay công thức 3.26 vào 3.25, đồng thời đổi biến   (3.26) x , tỷ lệ lỗi trung bình đƣợc  viết rộng thành:         th       x   x  dx  Pe   exp    E exp            2     22 x               L  H1  ,    H  ,   (3.27) 18 3.3.3 Khảo sát hiệu hệ thống có lệch hƣớng  SNR hệ thống có lệch hƣớng Hàm PDF SNR đƣợc viết thành:  2  3,0 f     G1,3          2   1  , ,    (3.31) Với   thông số fading nhiễu loạn khí quyển, thông số thấp nhiễu loạn khí mạnh  tỷ lệ bán kính chùm tia tƣơng đƣơng với độ lệch chuẩn (jitter) máy thu  Xác suất dƣới ngƣỡng (dừng) hệ thống có lệch hƣớng Xác suất dƣới ngƣỡng có lệch hƣớng đƣợc viết thành: K1    th  6,0  B   G1,6   th K2   1   1 Pout   A1 exp   (3.32) Với: K1  A1  2  1; K2     1   1 , , , , ,0 2 2 2    2 C ; B    8       16 Trong trƣờng hợp lệch hƣớng,   , ta có Pout đƣợc tính nhƣ công thức (3.20)  Tỷ lệ lỗi bit (BER) hệ thống có lệch hƣớng Từ công thức 3.32, ta viết đƣợc hàm CDF tỷ lệ lỗi bit (BER) thành: K1    th  6,0  B   G1,6   th K2   1   1 F      A1 exp   Với: K1  K2  2 1    1   1 , , , , ,0 2 2 A1  2    8       B    C 16 (3.33) 19 PDF BER gần đƣợc viết dƣới dạng hàm Meijers G thành: f    Với K3     K1      A1 5,0 B 6,0 B exp     2 1G0,5       G      1,6  th  K K 2    1  1          1   1 , , ,  (3.34) ,0 Trong trƣờng hợp lệch hƣớng, BER trung bình hệ thống là:  (3.35) Pe   P  e   f d Pe viết theo cách khác [9, Eq 12]: Pe  qp  exp  q   2  p   p 1 F   d (3.36) Thay công thức 3.33 vào công thức 3.35, dùng [1, Eq (7.813.1)], ta có BER trung bình phƣơng pháp điều chế nhị phân đƣợc viết thành: p  p Aq B 1 p , K1  6,1  Pe   G    2,6 th 2 q 1  p q  K2   1  (3.37)  Với p q thông số kiểu điều chế nhị phân, đƣợc thể bảng 3.1 3.4 Các kết khảo sát Phần trình bày kết khảo sát xác suất dƣới ngƣỡng, tỷ lệ lỗi bít (BER) lệch hƣớng hệ thống lai ghép RF/FSO [10] 20 3.4.1 Xác suất dƣới ngƣỡng Hình 3.2: Xác suất dƣới ngƣỡng hệ thống điều kiện nhiễu loạn mạnh vừa với  th = dB [10] Hình 3.2 khảo sát xác suất dƣới ngƣỡng hệ thống phân bố Gamma-Gamma với  = 4,2  = 1,4 cho nhiễu loạn mạnh,  =  = 1,9 cho nhiễu loạn vừa phải cho thấy đƣợc giá trị SNR khác [10] 21 3.4.2 Tỷ số lỗi bit (BER) Hình 3.7: So sánh BER hai điều chế BPSK QPSK nhiễu loạn mạnh (  = 4,2  = 1,4) với C = [10] Hình 3.7 khảo sát BER trung bình hệ thống môi trƣờng nhiễu loạn mạnh với điều chế BPSK QPSK Ta thấy rằng, điều kiện nhiễu loạn mạnh, BER trung bình với điều chế BPSK tốt nhiều so với điều chế QPSK, đặc biệt SNR trung bình tăng cao chêch lệch rõ rệt [10] 3.4.3 Khảo sát hệ thống ảnh hƣởng lệch hƣớng  Xác suất dƣới ngƣỡng 22 Hình 3.8: Xác suất dƣới ngƣỡng hệ thống nhiễu loạn mạnh (  = 4,2  = 1,4) với  khác  th  10 dB [10] Hình 3.8 khảo sát xác suất dƣới ngƣỡng hệ thống nhiễu loạn mạnh có lệch hƣớng Ta thấy  tăng lên tác động lệch hƣớng giảm xuống, Pout giảm ngƣợc lại Khi  tiến tới 1, tác động lệch hƣớng lên hệ thống lớn, đặc biệt SNR lớn 15 dB [10]  Tỷ lệ lỗi bit (BER) Ở đây, ta lựa chọn điều chế BPSK  p  0,5; q  1 để khảo sát BER trung bình hệ thống nhiễu loạn mạnh 23 Hình 3.9: BER trung bình có lệch hƣớng môi trƣờng nhiễu loạn mạnh (  = 4,2  = 1,4) với  khác C = [10] Hình 3.9 khảo sát BER trung bình hệ thống điều chế BPSK Tác động lệch hƣớng đƣợc quan sát thấy lệch hƣớng (giá trị  tăng, tác động lệch hƣớng giảm) tăng, BER giảm ngƣợc lại [10] 3.5 Kết luận chƣơng Chƣơng tìm hiểu phân tích hiệu hệ thống lai ghép RF/FSO qua môi trƣờng nhiễu loạn không khí lệch hƣớng Các kết tính toán tỷ lệ lỗi bit (BER) xác suất dƣỡi ngƣỡng (dừng) lệch hƣớng có lệch hƣớng khả quan, cho thấy tiềm lớn hệ thống 24 KẾT LUẬN Luận văn trình bày cách tổng quan hệ thống truyền thông quang không dây lai ghép RF/FSO, ƣu điểm thách thức hệ thống Trình bày nguyên nhân làm suy giảm hiệu hệ thống, nhƣ mô hình kênh để đánh giá hiệu hệ thống điều kiện nhiễu loạn khác Khái niệm mô hình giải tích tham số đƣờng truyền FSO nhƣ RF đƣợc trình bày Trong đó, FSO bao gồm suy hao đƣờng truyền, nhiễu loạn không khí yếu, mạnh lệch hƣớng RF bao gồm suy hao kênh truyền fading Dựa mô hình kênh đƣợc nêu ra, mô hình toán học tính toán hiệu hệ thống lai ghép RF/FSO dƣới ảnh hƣởng nhiễu loạn lệch hƣớng đƣợc phân tích trình bày, phần trọng tâm luận văn Luận văn tìm hiểu, tham khảo phân tích kết tính toán tỷ lệ lỗi bit, xác xuất dƣới ngƣỡng ảnh hƣởng lệch hƣớng lên hiệu hệ thống Các kết cho thấy đƣợc số liệu khả quan việc cải thiện hiệu hệ thống điều kiện nhiễu loạn khác nhau, nhƣ phƣơng pháp điều chế thích hợp cho hệ thống Kết cho thấy tiềm lớn hệ thống lai ghép việc sử dụng liên kết FSO để bổ sung cho hệ thống RF tƣơng lai ... đánh giá hiệu hệ thống lai ghép RF/ FSO dƣới ảnh hƣởng nhiễu loạn lệch hƣớng đƣợc trình bày chƣơng 14 CHƢƠNG 3: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY LAI GHÉP RF/ FSO 3.1 Giới thiệu hệ. .. hoạt hiệu cho kết nối mạng truy nhập backhaul tƣơng lai 2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY FSO 1.1 Giới thiệu hệ thống FSO Khác hệ thống không dây thông thƣờng, FSO. .. lớn hệ thống 24 KẾT LUẬN Luận văn trình bày cách tổng quan hệ thống truyền thông quang không dây lai ghép RF/ FSO, ƣu điểm thách thức hệ thống Trình bày nguyên nhân làm suy giảm hiệu hệ thống,