Đang tải... (xem toàn văn)
Truyền thông quang không dây (FSO) là công nghệ truyền dẫn tín hiệu quang qua môi trường vô tuyến (không gian tự do). Trong những năm gần đây, truyền thông quang không dây đang được xem như một giải pháp hứa hẹn thay thế cho các kết nối vô tuyến băng rộng nhờ các ưu điểm mà nó có được bao gồm: tốc độ cao; chi phí hiệu quả; không yêu cầu cấp phép tần số; triển khai nhanh và linh hoạt. Nhằm triển khai kỹ thuật FSO trong mạng truy nhập, việc nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) trong truyền thông quang không dây đang thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu. Hệ thống CDMA quang không dây (FSOCDMA) là hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã quang sử dụng phương thức truyền sóng ánh sáng qua không gian tự do để kết nối giữa các thiết bị phát và thu. Đa truy nhập được thực hiện bằng cách gán các chuỗi mã khác nhau cho các người dùng khác nhau. Nhờ đó, các hệ thống CDMA quang không dây có hiệu quả sử dụng tài nguyên cao, khả năng truy nhập không đồng bộ và khả năng an ninh cao. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm, hệ thống CDMA quang không dây 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. Do đó, việc tiến hành nghiên cứu phân tích hiệu năng của hệ thống CDMA quang không dây nhằm đánh giá khả năng triển khai của giải pháp CDMA trong truyền thông quang không dây là rất cần thiết. Mục đích nghiên cứu của bài báo cáo nhằm đưa ra giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã quang trong truyền thông quang không dây. Kết quả cụ thể của nghiên cứu là đưa ra mô hình hệ thống FSOCDMA và phân tích hiệu năng của hệ thống FSO dưới sự ảnh hưởng của các loại nhiễu và nhiễu loạn không khí.
Nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã truyền thông quang không dây MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH MỞ ĐẦU .3 Chương .4 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY FSO 1.1Giới thiệu 1.2Mô hình hệ thống FSO .5 1.2.1 Bộ phát .5 1.2.2 Bộ thu .5 1.2.3 Kênh vô tuyến Chương .8 KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ QUANG 2.1Giới thiệu 2.2Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã quang .8 2.3Các hệ thống CDMA quang .9 2.3.1 Kiến trúc hệ thống OCDMA 10 2.4Mã sử dụng hệ thống CDMA quang 10 2.5Nhiễu hệ thống CDMA quang 10 2.4.1 Nhiễu thu 10 Chương 12 HỆ THỐNG CDMA QUANG KHÔNG DÂY 12 3.1Giới thiệu 12 3.2Mô hình kênh FSO 13 3.2.1 Mô hình kênh nhiễu loạn không khí 13 3.2.2 Mô hình truyền lan xung 14 3.3Điều chế vị trí xung đa bước sóng 15 3.4Hệ thống FSO/CDMA sử dụng L-M - MWPPM 15 3.5Phân tích hiệu hệ thống FSO/CDMA 17 3.6Kết khảo sát BER, nhận xét đánh giá 18 KẾT LUẬN .21 Phạm Công Thắng_CCVT06A Nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã truyền thông quang không dây DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống FSO thông thường Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống FSO Hình 2.1: Chia sẻ tài nguyên dựa kỹ thuật OCDM Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống OCDMA 10 Hình 3.1: Các phương pháp điều chế: 4-WSK, 4-PPM 2-2-MWPPM .13 Hình 3.2: Hệ thống FSO/CDMA sử dụng L-M-MWPPM .15 Hình 3.3: BER theo công suất phát bit với z = km, .19 Hình 3.4: BER theo khoảng cách tuyến z với Ps = dBm, 19 Hình 3.5: BER theo tốc độ bit người dùng với Ps = dBm, 20 Hình 3.6: BER theo độ lợi trung bình APD ( g ) với Ps = dBm, 20 Phạm Công Thắng_CCVT06A Nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã truyền thông quang không dây MỞ ĐẦU Truyền thông quang không dây (FSO) công nghệ truyền dẫn tín hiệu quang qua môi trường vô tuyến (không gian tự do) Trong năm gần đây, truyền thông quang không dây xem giải pháp hứa hẹn thay cho kết nối vô tuyến băng rộng nhờ ưu điểm mà có bao gồm: tốc độ cao; chi phí hiệu quả; không yêu cầu cấp phép tần số; triển khai nhanh linh hoạt Nhằm triển khai kỹ thuật FSO mạng truy nhập, việc nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) truyền thông quang không dây thu hút nhiều quan tâm nghiên cứu Hệ thống CDMA quang không dây (FSO/CDMA) hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã quang sử dụng phương thức truyền sóng ánh sáng qua không gian tự để kết nối thiết bị phát thu Đa truy nhập thực cách gán chuỗi mã khác cho người dùng khác Nhờ đó, hệ thống CDMA quang không dây có hiệu sử dụng tài nguyên cao, khả truy nhập không đồng khả an ninh cao Tuy nhiên, bên cạnh ưu điểm, hệ thống CDMA quang không dây gặp phải thách thức cần phải vượt qua ảnh hưởng mạnh tạp âm, nhiễu yếu tố tác động môi trường truyền lan không gian mưa, sương mù, khói, bụi, tuyết… đặc biệt nhiễu loạn không khí Do đó, việc tiến hành nghiên cứu phân tích hiệu hệ thống CDMA quang không dây nhằm đánh giá khả triển khai giải pháp CDMA truyền thông quang không dây cần thiết Mục đích nghiên cứu báo cáo nhằm đưa giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã quang truyền thông quang không dây Kết cụ thể nghiên cứu đưa mô hình hệ thống FSO/CDMA phân tích hiệu hệ thống FSO ảnh hưởng loại nhiễu nhiễu loạn không khí Phạm Công Thắng_CCVT06A Nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã truyền thông quang không dây Chương TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY FSO Chương tập trung giới thiệu khái quát công nghệ truyền thông quang không dây FSO, đặc điểm hệ thống mô hình hệ thống FSO Các thách thức ứng dụng hệ thống FSO đề cập 1.1 Giới thiệu FSO (hay truyền thông quang không dây) công nghệ viễn thông sử dụng truyền lan ánh sáng không gian để truyền tín hiệu hai điểm [18] Đây công nghệ truyền thông băng rộng tầm nhìn thẳng, tín hiệu quang, thay truyền sợi quang, phát búp sóng quang qua không gian Một mạng truyền thông quang không dây bao gồm thu-phát quang (gồm khối thu khối phát) cung cấp khả thông tin hai chiều Mỗi khối phát quang sử dụng nguồn quang thấu kính để phát tín hiệu quang qua không gian tới khối thu Tại phía thu, thấu kính khác sử dụng để thu tín hiệu, thấu kính nối với khối thu có độ nhạy cao qua sợi quang Một tuyến FSO bao gồm hai thu-phát đặt tầm nhìn thẳng Thông thường, thu phát gắn tòa nhà sau cửa sổ (Hình 1.1) Cự ly hoạt động tuyến FSO từ vài trăm mét tới vài km Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống FSO thông thường Các đặc điểm hệ thống FSO sau: Băng thông điều chế rộng; Búp sóng hẹp; Không yêu cầu cấp phép phổ tần; Rẻ; Triển khai nhanh chóng; Phụ thuộc vào thời tiết Ngoài điểm trên, đặc điểm khác FSO bao gồm: Lợi ích từ truyền thông sợi quang tại; không bị ảnh hưởng nhiễu điện từ; không giống hệ thống có dây, FSO hệ thống không cố định thu hồi tài sản; phát xạ phải nằm giới hạn an toàn quy định; trọng lượng Phạm Công Thắng_CCVT06A Nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã truyền thông quang không dây nhẹ nhỏ gọn; tiêu thụ điện thấp; yêu cầu tầm nhìn thẳng liên kết chặt chẽ kết việc búp sóng hẹp 1.2 Mô hình hệ thống FSO Sơ đồ khổi tuyến FSO điển hình thể hình 1.2 Giống công nghệ truyền thông nào, hệ thống FSO gồm ba phần: Bộ phát, kênh truyền thu Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống FSO 1.2.1 Bộ phát Phần tử có nhiệm vụ điều chế liệu gốc thành tín hiệu quang sau truyền qua không gian tới thu Phương thức điều chế sử dụng rộng rãi phát điều chế cường độ (IM), cường độ phát xạ nguồn quang điều chế số liệu cần truyền Việc điều chế thực thông qua việc thay đổi trực tiếp cường độ nguồn quang phát thông qua điều chế giao thoa MZI Việc sử dụng điều chế nhằm đảm bảo tốc độ liệu đạt cao so với điều chế trực tiếp Các thuộc tính khác trường xạ quang pha, tần số trạng thái phân cực sử dụng để điều chế với với liệu/thông tin thông qua việc sử dụng điều chế 1.2.2 Bộ thu Bộ thu hỗ trợ việc khôi phục liệu phát từ phía phát Bộ thu bao gồm thành phần sau: a) Bộ thu tín hiệu quang – tập hợp tập trung phát xạ quang tới tách sóng quang Khẩu độ (độ mở) thu lớn giúp tập hợp nhiều phát xạ quang vào tách sóng quang Phạm Công Thắng_CCVT06A Nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã truyền thông quang không dây b) Bộ lọc thông dải quang – lọc thông dải làm giảm lượng xạ c) Bộ tách sóng quang – PIN APD chuyển đổi trường quang đến thành tín hiệu điện Các tách sóng quang thường dùng hệ thống truyền thông quang tóm tắt bảng 1.2 d) Mạch xử lý tín hiệu – có chức khuếch đại, lọc xử lý tín hiệu để đảm bảo tính xác cao liệu khôi phục 1.2.3 Kênh vô tuyến Kênh truyền dẫn quang khác so với kênh nhiễu Gauss thông thường, tín hiệu đầu vào kênh, x(t), thể công suất biên độ Điều dẫn tới hai điều kiện ràng buộc tín hiệu truyền: i) x(t) phải không âm ii) giá trị trung bình x(t) không vượt giá trị quy định 1.2.3.1 Tổn thất công suất Khi xạ quang qua bầu khí quyển, vài photon bị biến (hấp thụ) thành phần nước, khí CO 2, sương mù, tầng Ozone… lượng chuyển thành nhiệt thành phần khác qua không mát lượng hướng truyền lan ban đầu chúng bị thay đổi (tán xạ) lan truyền trường quang thông qua bầu khí mô tả định luật luật Beer – Lambert Chùm sáng bị trải rộng truyền kích thước chùm sáng nhận lớn so với kích thước thu 1.2.3.2 Tổn thất kênh truyền không khí a) Hấp thụ b) Tán xạ c) Ảnh hưởng nhiễu loạn không - Sự nhiễu loạn không khí phụ thuộc vào i) độ cao/áp suất khí quyển; ii) vận tốc gió; iii) khác số khúc xạ không đồng nhiệt độ Các ảnh hưởng nhiễu loạn không khí bao gồm: Sự lệch chùm sáng; nhẩy ảnh; mở rộng chùm sáng; nhấp nháy chùm sáng; suy giảm tính quán không; biến động phân d) Mô hình nhiễu loạn không khí 1.3 Các thách thức hệ thống FSO Sương mù; Sự nhấp nháy; Sự trôi búp; Giữ thẳng hướng phát-thu tòa nhà dao động; Sự an toàn cho mắt Phạm Công Thắng_CCVT06A Nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã truyền thông quang không dây 1.4 Các ứng dụng hệ thống FSO Truy nhập chặng cuối; Dự phòng tuyến sợi quang; Kết nối back-haul cho mạng tế bào; Các tuyến tạm thời/ khắc phục cố;Mạng truyền thông nhiều vùng nhỏ; Các vùng địa lý khó khăn Phạm Công Thắng_CCVT06A Nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã truyền thông quang không dây Chương KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ QUANG Chương trình bày tổng quan phương thức đa truy nhập phân chia theo mã quang - OCDMA Khái niệm hệ thống OCDMA phân loại hệ thống OCDMA khác đề cập nội dung chương Nội dung cuối chương trình bày cấu trúc tính chất số loại mã thường sử dụng hệ thống OCDMA loại nhiễu hệ thống OCDMA 2.1 Giới thiệu OCDMA kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo mã quang, theo đó, người sử dụng cấp mã quang để truy nhập vào mạng thay khe thời gian kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) hay bước sóng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo bước sóng (WDMA) OCDMA giúp nâng cao tốc độ truyền dẫn, tăng tính linh hoạt số lượng người sử dụng tăng tính bảo mật hệ thống [20] OCDMA công nghệ tiềm cho phép thay công nghệ mạng truy nhập quang Trong chương này, xem xét công nghệ truy nhập sử dụng mạng quang, đặc biệt mạng truy nhập quang thụ động (PON) Tiếp theo, tìm hiểu kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (OCDMA), cách phân loại hệ thống OCDMA loại mã hay sử dụng hệ thống CDMA quang Cuối cùng, sơ đồ nguyên lý hệ thống OCDMA tiêu biểu, 2-D λ-t OCDMA giới thiệu 2.2 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã quang Trong OCDMA, tài nguyên mạng chia sẻ người sử dụng cách gán cho người mã thay khe thời gian TDMA bước sóng WDMA Do đó, người dùng có khả tiếp cận tài nguyên bước sóng, lúc, thể hình 2.1 OCDMA thực ghép kênh chuyển mạch xen/rẽ tín hiệu đa kênh qua mạng đường trục mạng đô thị (MAN), kết hợp TDM WDM thông qua mã hóa giải mã tín hiệu quang trực tiếp Phạm Công Thắng_CCVT06A Nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã truyền thông quang không dây Bước sóng, λ Người sử dụng Người sử dụng Người sử dụng Thời gian, t Mã, C Hình 2.1: Chia sẻ tài nguyên dựa kỹ thuật OCDM 2.3 Các hệ thống CDMA quang Nếu phân loại dựa vào khác biệt phương pháp mã hóa tín hiệu quang, ta chia thành ba loại hệ thống OCDMA: - Hệ thống OCDMA mã hóa miền thời gian, bao gồm hệ thống trải phổ truyền thống hệ thống mã hóa pha theo thời gian - Hệ thống OCDMA mã hóa miền tần số, bao gồm bước mã hóa pha phổ (SPE) hệ thống mã hóa biên độ phổ (SEA) - Hệ thống OCDMA mã hóa lai ghép sử dụng kết hợp phương thức mã hóa nêu Ví dụ có mã hóa 2-D cách kết hợp mã hóa miền thời gian miền bước sóng, hệ thống OCDMA trải thời gian/nhảy bước sóng (WH/TS) Nếu mã hóa theo không gian kết hợp với thời gian bước sóng ta có mã hóa không gian/ thời gian/bước sóng Nếu xếp chúng theo số lượng tài nguyên (thời gian, không gian, bước sóng) sử dụng, ta chia thành hệ thống OCDMA chiều (1D OCDMA), hệ thống OCDMA hai chiều (2D OCDMA) hệ thống OCDMA ba chiều (3D OCDMA) Nếu phân cực đưa vào mã hóa, ta đạt hệ thống bốn chiều (4D OCDMA) Nếu phân loại hệ thống OCDMA theo số lượng bước sóng sử dụng để mã hóa, chúng chia thành hệ thống OCDMA đơn bước sóng hệ thống OCDMA đa bước sóng Phạm Công Thắng_CCVT06A Nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã truyền thông quang không dây 2.3.1 Kiến trúc hệ thống OCDMA Kiến trúc điển hình hệ thống OCDMA minh họa Hình 2.2 Tín hiệu từ K phát kết hợp kết hợp phát đến tất thu chia quang Một sợi quang sử dụng để kết nối từ phía phát đến phía thu chia sẻ tất người dùng Dữ liệu nhị Bộ mã hóa Bộ giải mã Máy phát Máy thu #1 Sợi quang Bộ chia Bộ kết hợp Dữ liệu nhị Bộ phục hồi Bộ mã hóa Bộ giải mã Máy phát # K Bộ phục hồi Máy thu # K Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống OCDMA 2.4 Mã sử dụng hệ thống CDMA quang Chuỗi M; Mã Hadamard; Mã MQC; Mã nguyên tố; Mã nguyên tố 2-D 2.5 Nhiễu hệ thống CDMA quang 2.4.1 Nhiễu thu Hai loại nhiễu thu nhiễu lượng tử nhiễu nhiệt Hai loại nhiễu nguyên nhân gây thăng giáng dòng tách quang thu, công suất tín hiệu thu (Pin) không đổi Bản chất nhiễu lượng tử dòng điện tách quang tạo từ dòng chuyển động điện tử mà điện tử lại tạo cách ngẫu nhiên theo thời gian Về mặt toán học, thăng giáng dòng điện nhiễu lượng tử gây tiến tronh Poison dừng, xấp xỉ thống kê Gauss Phương sai nhiễu nhiệt biểu diễn dạng : e điện tích điện tử ℜ đáp ứng tách sóng quang Be băng Phạm Công Thắng_CCVT06A 10 Nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã truyền thông quang không dây thông điện (nhiễu) hiệu dụng thu Giá trị thực tế Be phụ thuộc vào thiết kế thu 2.5.1 Nhiễu đa truy nhập Nhiễu đa truy nhập (MAI) nguồn nhiễu hệ thống OCDMA, nguyên nhân gây suy giảm chất lượng hệ thống Như đề cập chương 1, MAI gây người sử dụng hoạt động đồng thời mạng, xung MAI xung quang xuất đồng thời có bước sóng với xung mong muốn Mức độ ảnh hưởng MAI định hai tham số chính: (1) số lượng người dùng hoạt động mạng (2) giá trị tương quan chéo giữ chuỗi mã phân bổ cho người dùng mạng Để giảm bớt ảnh hưởng MAI, loại mã có giá trị tương quan chéo nhỏ thường sử dụng Điều đồng nghĩa với việc cần chuỗi mã có độ dài lớn, ví dụ mã nguyên tố Giải pháp thứ hai sử dụng phương thức điều chế vị trí xung PPM [5] Tuy nhiên, hai giải pháp nêu dẫn tới làm hẹp độ rộng xung quang hệ thống bị ảnh hưởng mạnh tán sắc Phạm Công Thắng_CCVT06A 11 Nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã truyền thông quang không dây Chương HỆ THỐNG CDMA QUANG KHÔNG DÂY Chương phân tích cách toàn diện ảnh hưởng nhiễu loạn không khí bao gồm thăng giáng cường độ ảnh hưởng dãn xung lên hiệu hệ thống FSO/CDMA sử dụng PPM MWPPM Kết thể rẳng MPPM với M >16 không nên sử dụng yêu cầu gửi xung hẹp, bị ảnh hưởng mạnh dãn xung Bằng việc sử dụng MWPPM, ảnh hưởng thăng giáng cường độ dãn xung giảm nhẹ, BER hệ thống giảm Ngoài ra, nhận thấy hiệu hệ thống cải thiện đáng kể đạt BER thấp việc sử dụng APD với độ lợi khoảng từ 80 tới 100 3.1 Giới thiệu Ảnh hưởng lên hiệu hệ thống FSO nhiễu loạn không khí, tượng xuất kết thay đổi số khúc xạ không đồng nhiệt độ áp suất [9] Những số không đồng gây suy giảm chất lượng tín hiệu gây thay đổi cường độ pha tín hiệu thu Những biến động dẫn tới gia tăng xác suất lỗi bit hạn chế hiệu hệ thống FSO [10] Hơn nữa, lan truyền xung bị ảnh hưởng dãn rộng xung nhiễu loạn Hai nguyên nhân gây dãn rộng xung tán xạ tán sắc [11] Để giảm thiểu ảnh hưởng nhiễu loạn không khí, nghiên cứu hệ thống FSO/CDMA trước thường sử dụng phương thức điều chế vị trí xung (MPPM) phương pháp đạt hiệu suất cao mặt lượng [3] – [7] MPPM giúp tránh yêu cầu điều chỉnh ngưỡng thích nghi OOK Những nghiên cứu trước cho thấy bỏ qua ảnh hưởng dãn xung, M- PPM hiệu việc làm giảm ảnh hưởng thăng giáng cường độ tín hiệu Tuy nhiên, để có đựoc phân tích hiệu hệ thống FSO/CDMA cách toàn diện nên đánh ảnh hưởng dãn xung Hơn nữa, ảnh hưởng dãn xung đáng kể bỏ qua hệ thống FSO truyền thông tin tốc độ cao đặc biệt hệ thống FSO/CDMA sử dụng M-PPM yêu cầu gửi thông tin tốc độ chip cao (xung ngắn) qua kênh nhiễu loạn không khí Trong luận văn này, đề xuất sử dụng mô hình lan truyền xung Gauss để phân tích toàn diện tác động nhiễu loạn không khí lên hiệu hệ thống FSO/CDMA sử dụng PPM Mô hình phân tích tất ảnh hưởng nhiễu loạn không khí, bao gồm thay đổi cường độ tín hiệu, dãn xung suy hao truyền dẫn Ngoài ra, loại nhiễu bao gồm nhiễu nổ, nhiễu nền, Phạm Công Thắng_CCVT06A 12 Nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã truyền thông quang không dây nhiễu nhiệt nhiễu đa truy nhập (MAI) tính đến phân tích hiệu Hình 3.1: Các phương pháp điều chế: 4-WSK, 4-PPM 2-2-MWPPM 3.2 Mô hình kênh FSO 3.2.1 Mô hình kênh nhiễu loạn không khí Môi trường khí kênh truyền thông lý tưởng Sự không đồng nhiệt độ áp suất khí dẫn tới thay đổi số khúc xạ theo tuyến truyền dẫn, mà thường gọi nhiễu loạn không khí Nó tạo loạt tượng suy hao lựa chọn tần số, hấp thụ, tán xạ không ổn định (nhấp nháy) Khi chùm tín hiệu quang lan truyền qua môi trường không khí, cường độ tín hiệu quan sát phía thu thay đổi cách ngẫu nhiên Điều gọi nhấp nháy, nhược điểm hệ thống truyền thông FSO Rất khó để xác định hàm mật độ xác suất cho thay đổi cường độ tín hiệu theo điều kiện khí tùy ý tham số chùm tín hiệu Tuy nhiên, dựa số liệu thống kê tượng nhấp nháy, mô hình toán học khác đề xuất hàm Log-normal [13], phân bố Gama [14] hay Gama-Gama [15] Trong chương xem xét kịch nhiễu loạn yếu dựa mô hình phân bố Log – normal Một biến ngẫu nhiên B có phân bố Log-normal biến ngẫu nhiên A = lnB có phân bố chuẩn (ví dụ Gauss) Do đó, biên độ độ lợi tuyến ngẫu nhiên B I, cường độ quang I = B phân bố hàm Log-normal trường hợp Do đó, hệ số kênh fading đặc trưng cho mô hình kênh từ phía phát tới phía thu, cho công thức: Trong Im cường độ tín hiệu ánh sáng thực tế phát Phạm Công Thắng_CCVT06A 13 Nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã truyền thông quang không dây nhiễu loạn; I cường độ tín hiệu ánh sáng thực tế phía thu có nhiễu loạn LogX (X: biên độ) biến ngẫu nhiên phân bố chuẩn với giá trị trung bình µξ phương sai σx biểu diễn sau: Để đảm bảo fading không làm suy giảm hay khuếch đại công suất trung bình tín hiệu, thông thường coi hệ số fading E(h) = 1, điều đòi hỏi phải lựa chọn µξ2 = - σx Thay công thức (3.1) vào công thức (3.2), phân bố fading cường độ ánh sáng nhiễu loạn theo hàm Log-normal, mô tả như: Trong đó, σx điều kiện nhiễu loạn yếu cho [16] Trong λ bước sóng z khoảng cách tuyến trúc số khúc xạ viết tắt hệ số cấu 3.2.2 Mô hình truyền lan xung Để có biểu thức biểu diễn dãn rộng xung ánh sáng miền thời gian xung truyền lan qua môi trường nhiễu loạn không khí, giả thiết dạng sóng đầu vào xung Gauss Biên độ xung Gaussian cho bởi: Trong Pp T0 tương ứng công suất đỉnh nửa độ rộng (tại điểm 1/e) xung đầu vào Xem xét tổn thất gây hấp thụ tán xạ ánh sáng phân kì chùm sáng, biên độ xung quang vị trí đầu thu nằm khoảng cách z (km) từ phát mô tả sau: Phạm Công Thắng_CCVT06A 14 Nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã truyền thông quang không dây Trong A độ mở thu θ β tương ứng góc phân kỳ chùm tia hệ số suy hao Tb= T0 + 8α nửa độ rộng xung thu Tham số α cho bởi: Trong α tham số đặc trưng cho mức độ giãn xung xung quang truyền qua môi trường khí L0 quy mô bên nhiễu loạn c vận tốc ánh sáng, z (m) khoảng cách tuyến 3.3 Điều chế vị trí xung đa bước sóng Như đề cập phần 3.1, L-M-PPM kết hợp L-WSK M- PPM, L số bước sóng M số mức điều chế PPM Trong kỹ thuật điều chế này, khối b = log2N bit số liệu ánh xạ vào số N ký hiệu (s0, s1, …, sN-1) Trong khối b bit, log2L bit sử dụng cho WSK, bit lại (log2M bit) sử dụng cho PPM minh họa hình 3.2 Khoảng thời gian ký hiệu (Tw) chia thành M khe thời gian Tùy thuộc vào ký hiệu phát, xung quang phát số M khe thời gian khe thời gian lại bỏ trống Đồng thời, xung quang chiếm số L bước sóng Kết là, nhờ sử dụng L bước sóng cho M-PPM, kích thước không gian tín hiệu tăng L lần so với M-PPM 3.4 Hệ thống FSO/CDMA sử dụng L-M - MWPPM Hình 3.2: Hệ thống FSO/CDMA sử dụng L-M-MWPPM Phạm Công Thắng_CCVT06A 15 Nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã truyền thông quang không dây Hệ thống FSO/CDMA sử dụng L-M-MWPPM minh họa hình 3.3 bao gồm phát, kênh truyền thu Ở phía phát, liệu đầu vào trước tiên điều chế điều chế MWPPM Mỗi khối bit liệu b = log2N ánh xạ tới số N ký hiệu (s0, s1, b …, sN-1), N = LxM = Tiếp theo xung quang thể cho ký hiệu MWPPM mã hóa mã hóa OCDMA, mã hóa thành chuỗi chip “0” “1” Chip “1” biểu diễn xung quang chip “0” tương đương với việc xung quang phát Số lượng chip có chuỗi mã độ dài từ mã tạo tạo mã Giả sử xung quang đại diện cho chip “1” xung Gauss có biên độ thể công thức 3.5, công suất đỉnh xung Pp tính sau: Trong đó, Pc công suất phát trung bình chip Chi tiết công thức 3.8 thể phụ lục Với tốc độ bit số liệu Rb, độ rộng ký hiệu tính sau: Tw = log2 N/Rb, độ rộng khe thời gian Ts = Tw/M Với F chip phát khe thời gian, độ rộng chip thể Tc = Tw/F Với T0 = Tc/(4ln2) [11], độ rộng nửa xung (T0) biểu diễn sau: Hệ thống FSO/CDMA chịu ảnh hưởng nhiễu đa truy nhập (MAI), nguồn nhiễu gây suy giảm chất lượng hệ thống MAI gây người sử dụng hoạt động đồng thời mạng, xung MAI xung quang xuất đồng thời có bước sóng với xung mong muốn Mức độ ảnh hưởng MAI định hai tham số chính: (1) số lượng người dùng hoạt động mạng (2) giá trị tương quan chéo giữ chuỗi mã phân bổ cho người dùng mạng Hệ thống FSO/CDMA gồm có K người dùng, tham số h i đặc trưng cho hệ số truyền đạt kênh vô tuyến (kênh fading) công suất tín hiệu phát nhân với hàm truyền đạt kênh Hàm truyền đạt biến ngẫu Phạm Công Thắng_CCVT06A 16 Nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã truyền thông quang không dây nhiên gây thăng giáng cường độ tín nhiệu Để giảm bớt ảnh hưởng MAI, loại mã có giá trị tương quan chéo nhỏ thường sử dụng Điều đồng nghĩa với việc cần chuỗi mã có độ dài lớn, ví dụ mã nguyên tố Giải pháp thứ hai sử dụng phương thức điều chế vị trí xung PPM Tuy nhiên, hai giải pháp nêu dẫn tới làm hẹp độ rộng xung quang hệ thống bị ảnh hưởng mạnh tán sắc Do hệ thống hệ thống FSO/CDMA đề xuất sử dụng phương pháp điều chế vị trí xung đa bước sóng LM-MPPM, việc sử dụng phương pháp ảnh hưởng việc thăng giáng cường độ giãn xung giảm nhẹ Tại thu, tín hiệu phát từ K người sử dụng khác kết hợp lại cộng sau đưa tới giải mã OCDMA Bộ giải mã điều khiển tạo mã Các tín hiệu thu không bao gồm tín hiệu từ phát mong muốn mà có tín hiệu từ phát gây nhiễu, nhiễu nhiễu đa truy nhập (MAI) Tiếp theo, APD chuyển tín hiệu quang thu sang dạng tín hiệu điện Dòng tách quang tỷ lệ thuận với cường độ tín hiệu thu thu đáp ứng R (A/W) Cuối cùng, giải điều chế MWPPM, tập hợp dòng quang điện N đầu vào giải điều chế, tương ứng với N ký hiệu, so sánh với Đầu vào với dòng điện cao lựa chọn để định ký hiệu phát từ liệu nhị phân khôi phục 3.5 Phân tích hiệu hệ thống FSO/CDMA Trong phần này, trình bày phương pháp để tính toán tỷ lệ lỗi bit (BER) hệ thống FSO/CDMA sử dụng L-M-MWPPM APD Cần ý MPPM trường hợp đặc biệt L-M-MWPPM với L = Với Pe giá trị xác suất lỗi ký hiệu, tỷ lệ lỗi bit hệ thống tính sau: Chúng ta giả thiết liệu truyền đủ lớn để ký hiệu có xác suất truyền Không tính tổng quát, giả sử ký hiệu s0 truyền Xác suất lỗi ký hiệu tức thời trường hợp hệ thống có K người sử dụng mô tả Phạm Công Thắng_CCVT06A 17 Nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã truyền thông quang không dây Trong đó, s ký hiệu phát, k1 tổng số xung gây nhiễu tới ký hiệu s1 I0 I1 dòng tách quang đại diện tương ứng cho s0 s1 Các xung gây nhiễu xung từ người sử dụng gây nhiễu có vị trí trùng với chip “1” từ mã thu Do k1 mô hình hóa biến nhị phân ngẫu nhiên với xác suất λc/F, λc tương quan chéo hai từ mã người sử dụng Do đó, thành phần thứ công thức 3.11 tính sau: 3.6 Kết khảo sát BER, nhận xét đánh giá Trong phần này, khảo sát tỉ lệ lỗi bit (BER) hệ thống FSO/CDMA sử dụng MWPPM thu APD Để có so sánh công với hệ thống khác, phân tích xem xét sở công suất phát trung bình bit ký hiệu Ps Mối quan hệ Pc Ps đưa Pc = M(log2N)Ps/w Chúng ta sử dụng mã nguyên tố (prime code) cho hệ thống FSO/CDMA loại mã đơn giản sử dụng rộng rãi hệ thống CDMA quang Mỗi từ mã tổ hợp mã, cấu trúc từ mộ số nguyên tố (ps), có độ dài từ mã F = ps , trọng lượng từ mã w = ps, tương quan chéo hai mã λc = [17] Hình 3.4 thể BER hệ thống FSO/CDMA sử dụng M-PPM L- MMWPPM theo công suất phát bit z = km, K = 32 người sử dụng Rb = Gbps Các kết nghiên cứu trước rằng, BER giảm mức điều chế M-PPM tăng, nhiên điều hoàn toàn hệ thống FSO/CDMA sử dụng M-PPM Thực tế, thể hình 3.2, BER giảm M tăng từ lên Việc sử dụng 16-PPM 32-PPM không giúp cải thiện hiệu hệ thống BER hệ thống FSO/CDMA sử dụng 32-PPM chí xấu sử dụng 8-PPM Điều hệ thống sử dụng 32-PPM có tốc độ chip cao ảnh hưởng dãn xung mạnh so với ảnh hưởng thăng giáng cường độ tín hiệu Hạn chế M-PPM khắc phục cách sử dụng L-M- MWPPM có khả làm giảm đồng thời ảnh hưởng thăng giáng cường độ tín hiệu ảnh hưởng dãn xung Phạm Công Thắng_CCVT06A 18 Nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã truyền thông quang không dây Hình 3.3: BER theo công suất phát bit với z = km, g = 60 , K = 32 Rb = Gbps Hình 3.5 thể mối quan hệ BER khoảng cách tuyến Ps = dBm, g = 60 K = 32 người sử dụng Mức điều chế cố định 16 thay đổi số lượng bước sóng MWPPM Kết cho thấy, khoảng cách tuyến tăng lên số lượng bước sóng tăng, hay số lượng vị trí xung giảm Điều thể công thức 3.17, giảm số lượng vị trí xung (M) giúp làm tăng độ rộng xung ảnh hưởng dãn xung tín hiệu Hình 3.4: BER theo khoảng cách tuyến z với Ps = dBm, g = 60 , K = 32, Rb = Gbps Tiếp theo, hình 3.6, BER khảo sát theo tốc độ bit người dùng với z = km, K = 32 người dùng Ps = dBm Chúng ta quan sát ảnh hưởng nhiễu loạn không khí ( C ) đến tốc độ bit người dùng Khi Phạm Công Thắng_CCVT06A C tăng, 19 Nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã truyền thông quang không dây tốc độ bit giảm Ngoài ra, kết cho thấy, hệ thống FSO/CDMA sử dụng L-M- MWPPM hỗ trợ tốc độ bít người dùng cao so với việc sử dụng M-PPM Cụ thể, C -14 = 10 , tốc độ n bit người dùng hệ thống FSO/CDMA sử dụng 16- PPM -6 hỗ trợ (tại mức BER = 10 ) khoảng 1.35 Gbps Bằng việc sử dụng 4-4MWPPM, tốc độ bit người dùng tăng gấp đôi lên tới 2.7 Gbps Khi -6 Rb (tại mức BER = 10 ) hệ thống sử dụng 16-PPM rớt xuống Gbps, đó, Rb cao Gbps hệ thống sử dụng 4-4- MWPPM Hình 3.5: BER theo tốc độ bit người dùng với Ps = dBm, g = 60 , z = km, K = 32 Cuối cùng, hình 3.7 thể BER người dùng so với độ lợi APD trung bình với Ps = dBm Có thể thấy BER hệ thống FSO/CDMA sử dụng APD giảm đáng kể so với hệ thống không sử dụng APD ( g = 1) Hệ thống đạt BER nhỏ độ lợi APD nằm khoảng 80 tới 100 Khi độ lợi APD lớn 100, nhiễu nổ APD trở nên ảnh hưởng mạnh, hiệu hệ thống bị giảm, BER tăng Hình 3.6: BER theo độ lợi trung bình APD ( g ) với Ps = dBm, Phạm Công Thắng_CCVT06A 20 Nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã truyền thông quang không dây z = 2km, K = 32, Rb = Gbps KẾT LUẬN Hệ thống CDMA quang không dây (FSO/CDMA) hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã quang sử dụng phương thức truyền sóng ánh sáng qua không gian tự (FSO) để kết nối thiết bị phát thu Trong năm gần đây, hệ thống FSO/CDMA thu hút nhiều quan tâm nghiên cứu ưu điểm mà công nghệ FSO CDMA quang đem lại Tuy nhiên, bên cạnh ưu điểm, hệ thống FSO/CDMA gặp phải thách thức cần phải vượt qua ảnh hưởng mạnh tạp âm, nhiễu yếu tố tác động môi trường truyền lan không gian mưa, sương mù, khói, bụi, tuyết… đặc biệt nhiễu loạn không khí Những yếu tố nêu làm suy giảm mạnh mẽ hiệu hệ thống FSO/CDMA Trong phạm vi báo cáo tập trung trình bày đặc điểm sau: • Trình bày tổng quan công nghệ truyền thông quang không dây • Trình bày tổng quan kỹ đa truy nhập phân chia theo mã quang • Nghiên cứu ảnh hưởng môi trường truyền dẫn nhiễu phía thu lên hiệu hệ thống CDMA quang không dây (FSO/CDMA) Phạm Công Thắng_CCVT06A 21 ... khai giải pháp CDMA truy n thông quang không dây cần thiết Mục đích nghiên cứu báo cáo nhằm đưa giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã quang truy n thông quang không dây Kết cụ thể nghiên cứu. .. Thắng_CCVT06A Nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã truy n thông quang không dây MỞ ĐẦU Truy n thông quang không dây (FSO) công nghệ truy n dẫn tín hiệu quang qua môi trường vô tuyến (không. .. Nghiên cứu giải pháp đa truy nhập phân chia theo mã truy n thông quang không dây z = 2km, K = 32, Rb = Gbps KẾT LUẬN Hệ thống CDMA quang không dây (FSO/CDMA) hệ thống đa truy nhập phân chia theo