›

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

pdf 66 trang thiennha21 20/04/2022 2160
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Khóa luận Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfkhoa_luan_he_thong_thong_tin_quang_khong_day_va_van_de_thiet.pdf

Nội dung text: Khóa luận Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam

  1. TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HỮU NGHỊ VIỆT-HÀN KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG KHÔNG DÂY VÀ VẤN ĐỀ THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN, TỐI ƢU TUYẾN TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM SVTH : Hồ Thị Kim Tiến Lớp : CCVT06B Niên khóa : 2013 - 2016 CBHD : ThS. Dương Hữu Ái Đà Nẵng, tháng 6 năm 2016
  2. LỜI CẢM ƠN Trải qua 3 năm học- một chặng đường nhiều thử thách, khó khăn nhưng cũng đạt được không ít thành công đối với bản thân em. Trong khoảng thời gian hoàn hành đồ án tốt nghiệp có nhiều lúc em thấy rất áp lực, nhưng nhờ sự giúp đỡ của bạn bè, sự hướng dẫn tận tình của thầy cô đã giúp em rất nhiều trong quá trình thực hiện đồ án này. Đây sẽ là cơ hội để em gửi lời cảm ơn đến mọi người. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS. Dương Hữu Ái, giảng viên khoa Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông, trường Cao Đẳng CNTT Hữu Nghị Việt – Hàn, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đồ án. Em cũng xin chân thành cảm ơn nhà trường, thầy cô giáo trường Cao Đẳng CNTT Hữu Nghị Việt – Hàn nói chung, các thầy cô trong khoa Điện Tử - Viễn Thông nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có được kiến thức, cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập. Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập cũng như hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng, tháng 5 năm 2016 Sinh viên Hồ Thị Kim Tiến i
  3. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC BẢNG vi DANH MỤC HÌNH vii PHẦN MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY (Free Space Optics - FSO) 4 1.1. Giới thiệu về hệ thống truyền thông quang FSO 4 1.1.1 Khái niệm về FSO 4 1.1.2 Lịch sử phát triển 5 1.1.3 Ưu, nhược điểm của FSO 6 1.2 Các kiến trúc mạng đƣợc dùng trong FSO mặt đất 9 1.2.1 Kiến trúc mạng lưới 9 1.2.2 Kiến Trúc Mạng Điểm – Đa Điểm 10 1.2.3 Kiến Trúc Mạng Nhiều Tuyến Điểm – Điểm 11 1.2.4 Kiến Trúc Mạng Vòng 11 1.3 Mô hình hệ thống FSO 11 1.3.1. Bộ phát 12 1.3.2 Kênh truyền 12 1.3.3 Bộ thu 13 1.4. Kết luận 13 CHƢƠNG 2: MỘT SỐ ỨNG DỤNG TIÊU BIỂU CỦA HỆ THỐNG FSO 14 2.1 Ứng dụng trong thông tin mặt đất 14 2.1.1 Kết nối tốc độ cao giữa các tòa nhà 14 2.1.2 Ứng dụng trong mạng truy nhập đầu cuối 15 2.1.3 Ứng dụng trong trao đổi thông tin cá nhân 17 2.2 Ứng dụng trong thông tin vệ tinh 17 2.2.1 Phục vụ các hoạt động của con người trong không gian 18 2.2.2 Truyền dữ liệu từ những vệ tinh quan sát 19 ii
  4. 2.2.3 Trao đổi thông tin giữa tàu vũ trụ và các vệ tinh 19 CHƢƠNG 3: CÁC VẤN ĐỀ TRONG VIỆC THIẾT KẾ TUYẾN QUANG KHÔNG DÂY 20 3.1 Giới thiệu chƣơng 20 3.2 Đặc điểm, yêu cầu của bộ phát 20 3.3.1 Nguồn phát 21 3.3.2 Bộ khuếch đại 23 3.3 Đặc điểm, yêu cầu của bộ thu 23 3.3.1 Bộ tách sóng các bước sóng ngắn (hồng ngoại 1330nm) 23 3.3.2 Bộ tách sóng các bước sóng dài (hồng ngoại 1550nm) 24 3.4 Đặc điểm kênh truyền trong hệ thống FSO 25 3.4.1. Các loại suy hao trong môi trường truyền dẫn FSO 25 3.4.2 Ảnh hưởng của sự thay đổi không khí đến chất lượng tín hiệu 27 3.5 Yếu tố ảnh hƣởng, đánh giá, nâng cao chất lƣợng tuyến quang không dây 28 3.5.1 Tham số ảnh hưởng đến chất lượng của tuyến 28 3.5.1.1 Phương trình truyền của tuyến 28 3.5.1.2 Độ suy giảm của không khí 30 3.5.2 Tham số đánh giá chất lượng của tuyến 32 3.5.2.1 Khả năng sử dụng tuyến 32 3.5.2.2 Tỉ lệ lỗi bit BER và tốc độ dữ liệu trên khoảng cách truyền 32 3.5.3 Tham số nâng cao chất lượng của tuyến 34 3.6 Lựa chọn tần số 35 3.6.1 Ảnh hưởng của sự suy giảm không khí tới bước sóng 35 3.6.2 Thiết bị thu, phát 37 3.6.3 Sự an toàn với mắt người 37 3.7 Kết luận chƣơng 38 CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ TỐI ƢU TUYẾN THÔNG TIN QUANG KHÔNG DÂY TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM 39 4.1 Giới thiệu chƣơng 39 4.2 Đánh giá điều kiện thời tiết Việt Nam và tính toán suy hao thực tế có thể có đối đƣờng truyền FSO tại Việt Nam 39 4.2.1 Khí hậu Việt Nam 39 iii
  5. 4.2.2 Tính toán độ suy hao tuyến FSO thực tế có thể có tại Việt Nam 41 4.2.3 Tính toán độ dự trữ công suất và BER tuyến FSO 43 4.3.1 Lưu đồ thuật toán, chương trình và kết quả tính toán bằng Matlab 44 4.3.2 Mô phỏng tuyến FSO 1km bằng phần mềm Optisystem 7.0 50 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN iv
  6. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Thuật ngữ tiếng anh Nghĩa tiếng việt APD (Si- Silicon Avalanche Photodiode APD) EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier FSO Free-space optical communication Thông tin quang không dây FTTH Fibre to the home Internet cáp quang IM Intensity Modulation Điều chế cường độ InGaA Indium gallium arsenide LOS Light Of Sight Truyền dẫn thẳng LD Lazer Diode Diot Laze NRZ Non-return to zero Không trở về không OOK On-Off Keying Khóa đóng mở SOA Semiconductor optical amplifiers Bộ khuếch đại bán dẫn quang Si-PIN Silicon PIN P-type, Intrinsic, N- type SNR Signal to noise ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm UWB Ultra wide band Băng siêu rộng VCSELs vertical-cavity surface-emitting Laser phát xạ mặt với bộ laser cộng hưởng thẳng đứng v
  7. DANH MỤC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 3.1 Phân loại độ an toàn laser của bộ phát nguồn 20 3.2 bán kính của hạt tán xạ trong không khí và tham số kích 31 thước tương ứng của bước sóng laser 785 nm và 1550 nm. vi
  8. DANH MỤC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang Hình 1.1 Hệ thống truyền thông quang không dây 4 Hình 1.2 Chương trình MLCD của NASA 6 Hình 1.3 Những thách thức đối với FSO 8 Hình 1.4 Kiến trúc mạng lưới 10 Hình 1.5 Kiến trúc mạng điểm- đa điểm 10 Hình 1.6 Kiến trúc điểm- điểm 11 Hình 1.7 Kiến trúc mạng vòng 11 Hình 1.8 Sơ đồ khối của hệ thống truyền thống truyền thông quang không dây 12 Hình 2.1 Kết nối tốc độ cao giữa các tòa nhà 15 Hình 2.2 FSO ứng dụng trong mạng truy nhập đầu cuối 16 Hình 2.3 FSO trong thông tin vệ tinh 18 Hình 2.4 Truyền dẫn quang không dây từ vệ tinh tới trạm mặt đất 19 Hình 3.1 Dòng laser, điền áp thuàn và công suất quang đầu ra 21 Hình 3.2 Điều chế IM ở hai nhiệt độ khác nhau 22 Hình 3.3 Cấu tạo Laser VCSEL 22 Hình 3.4 Mô hình một bộ thu phát Laser dùng trong hệ thống FSO 25 Hình 3.5 Ảnh hưởng của môi trường đến tuyến FSO 26 Hình 3.6 Vệt đốm và kích thước trung bình miệng thu 28 Hình 3.7 Công suất thu phụ thuộc vào tích hệ số suy giảm và khoảng cách 29 Hình 3.8 Tham số kích thước hạt tán xạ 31 Hình 3.9 Ảnh hưởng của sương mù, bão tuyết 33 Hình 3.10 Hệ số BER trên khoảng cách ở 1,25Gb/s 33 Hình 3.11 Tốc độ dữ liệu trên khoảng cách 34 Hình 3.12 Hàm thời gian sống của diode giảm theo chiều tăng nhiệt độ 34 Hình 3.13 Thời gian sống tỉ lệ nghịch với công suất ra của laser 35 Hình 3.14 Sự phụ thuộc truyền bước sóng vào những điều kiện không khí, được 36 đo ở khoảng cách 1km, tầm nhìn là 200m Hình 4.1 Mô tả ngày sương mù bình quân tại các tỉnh thành trên cả nước 41 Hình 4.2 BER thay đổi theo công suất phát ở 1550nm và tốc độ 1.25Gbps 50 Hình 4.3 Preceive thay đổi theo BER bước sóng 1550nm và tốc độ 1,25Gbps 50 Hình 4.4 Mô hình tuyến FSO 1km tại Việt Nam 52 Hình 4.5 Giản đồ mắt và min BER channel 7 53 Hình 4.6 Giản đồ mắt và channel kênh 3 53 vii
  9. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, sự gia tăng không ngừng của lưu lượng Internet và sự phát triển nhanh chóng của các công nghệ quang đã tạo nên những bước chuyển biến mới mẻ trong kiến trúc mạng viễn thông. Các hệ thống truyền thông quang sử dụng sợi quang hiện nay có khả năng truyền tải với dung lượng lớn, kết nối nhiều người dùng và cung cấp nhiều loại dịch vụ như thoại, fax, hình ảnh, số liệu. Cùng có khả năng truyền dẫn tốc độ cao, nhưng các hệ thống truyền thông quang không dây (Free Space Optics- FSO) lại dễ dàng lắp đặt, di chuyển hoặc thiết lập lại cấu hình mạng khi cần. FSO là công nghệ viễn thông sử dụng sự truyền lan ánh sáng trong không gian để truyền tín hiệu giữa hai điểm, trong đó tín hiệu quang, thay vì truyền trong sợi quang, sẽ được phát đi trong một búp sóng quang qua không gian. FSO có độ an toàn cao vì sử dụng thông tin tầm nhìn thẳng LOS (line-of-sight) và tính hướng của búp sóng quang cao. Tương lai ngày càng đòi hỏi phải có các giải pháp truyền dẫn tốc độ cao để đáp ứng yêu cầu của các doanh nghiêp, tổ chức và cá nhân. Truyền thông quang không dây (FSO) là một công nghệ rất hứa hẹn đang ngày càng nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. Dung lượng của hệ thống FSO tương đương với dung lượng của thông tin cáp quang, tuy nhiên giá thành để triển khai lại chỉ bằng một phần nhỏ so với FTTH. Thêm vào đó, hệ thống FSO có thể nhanh chóng được triển khai sử dụng và tái sử dụng. Tuy nhiên, hầu như chưa có nhiều nghiên cứu tại Việt Nam về công nghệ truyền thông quang không dây này. Đặc biệt là xu hướng chung của thế giới đã và đang chuyển sang nghiên cứu đến các hệ thống FSO. Vì vậy em xin chọn đề tài: “Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam”. Nội dung đồ án được chia thành 4 chương: Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền thông quang không dây FSO (Free Space Optics - FSO) Chương 2: Một số ứng dụng tiêu biểu của hệ thống FSO Chương 3: Các vấn đề trong việc thiết kế tuyến quang không dây Chương 4: Thiết kế, tính toán và tối ưu tuyến thông tin quang không dây trong điều kiện khí hậu Việt Nam. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 1
  10. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu hệ thống truyền thông quang không dây (Free Space Optics- FSO) và các ưu, nhươc điểm và các phương pháp khăc phục. - Tìm hiểu các bộ phận, yếu tố và các vấn đề trong việc xây dựng một hệ thống thông tin quang không dây. - Phân tích các yếu tố khí hậu, môi trường của Việt Nam. Tính toán và áp dụng lý thuyết để mô phỏng thiết kế,tối ưu hệ thống FSO tại Việt Nam. - Vận dụng kiến thức lý thuyết và nêu được ứng dụng của FSO vào thực tiễn. - Rèn luyện kỹ năng làm việc độc lập. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. - Nghiên cứu, tìm hiểu tổng quan hệ thống truyền thông quang không dây. - Các vấn đề trong việc thiết kế một hệ thống quang không dây. - Khí hậu, điều kiện thời tiết tại Việt Nam để thực hiện mô phỏng tuyến FSO. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - thu thập dữ liệu, tìm hiểu qua các phương tiện truyền thông (sách báo, internet ) các tài liệu có liên quan để thuận tiện trong việc nghiên cứu và thực hiện đồ án. - Tham khảo ý kiến các ý đóng góp, tiếp thu các hướng dẫn và gợi ý của giảng viên hướng dẫn đồ án tốt nghiệp. 5. Dự kiến kết quả - Nắm vững các kiến thức công nghệ mới FSO, các thuật ngữ chuyên nghành thông qua sự hướng dẫn của giảng viên hướng dẫn. - Thiết kế mô phỏng hệ thống FSO tại Việt Nam trên phần mềm Optisystem - Nêu ra được các ứng dụng của công nghệ truyền thông qua FSO - Một số nội dung khác phát sinh trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp và các thông tin cập nhật. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Truyền thông quang không dây (FSO) là một công nghệ rất hứa hẹn đang ngày càng nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. Dung lượng của hệ thống FSO tương đương với dung lượng của thông tin cáp quang, tuy nhiên giá thành để triển khai lại chỉ bằng một phần nhỏ so với FTTH. Thêm vào đó, hệ thống FSO có thể nhanh chóng được triển khai sử dụng và tái sử dụng. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 2
  11. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam Tuy nhiên, hầu như chưa có nhiều nghiên cứu tại Việt Nam về công nghệ truyền thông quang không dây này. Đặc biệt là xu hướng chung của thế giới đã và đang chuyển sang nghiên cứu đến các hệ thống FSO. Hy vọng đồ án sẽ là bước đệm cho các sinh viên khóa sau tìm hiểu và nghiên cứu sâu hơn về công nghệ mới này. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 3
  12. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY (Free Space Optics - FSO) Chương 1 sẽ trình bày những định nghĩa khái niệm cơ bản nhất về công nghệ FSO và lịch sử phát triển, nhằm mục đích cung cấp cho người đọc cái nhìn tổng thể và trực quan nhất về công nghệ còn khá mới mẻ này tại Việt Nam. 1.1. Giới thiệu về hệ thống truyền thông quang FSO 1.1.1 Khái niệm về FSO Về cơ bản, FSO là công nghệ truyền thông tin, dữ liệu giữa 2 điểm sử dụng bức xạ quang như là tín hiệu mang tin và được truyền qua các kênh truyền tự do. Dữ liệu cần truyền được điều chế vào cường độ, pha, hoặc tần số của bức xạ quang mang tin. Một đường truyền dẫn FSO về cơ bản là đường truyền dẫn thẳng (Light Of Sight- LOS), vì vậy để đảm bảo trao đổi thông tin thành công, yêu cầu máy thu và máy phát phải có thể “nhìn” thấy nhau một cách trực tiếp mà không có bất kỳ một chướng ngại vật nào trên đường truyền. Kênh truyền tự do có thể là trong không gian vũ trụ giữa các vệ tinh, dưới nước, trong khí quyển hoặc là sự kết hợp của các loại môi trường trên trong cùng một tuyến thông tin. Truyền thông FSO qua khoảng cách một vài kilomet có thể đạt tới tốc độ dữ liệu hàng Gbps. Công nghệ FSO cung cấp tiềm năng về dung lượng băng thông truyền thông sử dụng các bước sóng quang không cần cấp phép. Hình 1.1 Hệ thống truyền thông quang không dây SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 4
  13. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam 1.1.2 Lịch sử phát triển Thông tin quang trong môi trường tự do (FSO) là một công nghệ đã có từ lâu đời sử dụng sự truyền lan ánh sáng trong không gian để truyền tín hiệu giữa hai điểm. Truyền thông tin quang trong môi trường tự do được đặt nền móng lần đầu tiên là bởi thí nghiệm Photophone thực hiện bởi Alexander Graham Bell vào năm 1880. Trong thí nghiệm của mình, Bell đã điều chế bức xạ của mặt trời với tín hiệu âm thanh và truyền đi qua khoảng cách khoảng 200 m. Máy thu được làm từ một chiếc gương parabol với một tế bào Selen đặt tại tiêu điểm. Tuy nhiên, thí nghiệm cho kết quả không thực sự tốt do thiết bị sử dụng thô sơ và sự gián đoạn tự nhiên của bức xạ mặt trời. Cột mốc quan trọng đánh dấu sự phát triển của công nghê FSO đó là sự tìm ra các nguồn quang, mà quan trọng nhất là laser vào những năm 1960. Hàng loạt các nghiên cứu về FSO đã được thực hiện từ những năm đầu 60 đến những năm 70, ví dụ như: truyền phổ của tín hiệu truyền hình qua khoảng cách 48 km sử sụng diode phát quang GaA được thực thi bởi cách nhà khoa học của học viện MIT năm 1962; tháng 5 năm 1963, tín hiệu âm thanh được điều chế với laser He-NE đã đươc truyền qua 190km giữa 2 ngọn núi Panamint Ridge và San Gabriel tại Mỹ; truyền dẫn Laser trong không gian được sử dụng với mục đích thương mại lần đầu tiên được xây dựng ở Nhật Bản bởi công ty điện tử Nippon vào năm 1970 - là đường truyễn dẫn song công, sử dụng Laser He-Ne bước sóng 0.6328 μm, truyền thông tin giữa Yokohama và Tamagawa với khoảng cách 14km. Từ quãng thời gian này trở đi, công nghệ FSO tiếp tục được nghiên cứu và thử nghiệm mạnh mẽ, đặc biệt là trong thông tin quân sự. FSO cũng đã và đang được nghiên cứu để sử dụng cho truyền thông trong vũ trụ bởi NASA và ESA với các chương trình như là the Mars Laser Communication Demonstration (MLCD) và the Semiconductor-laser Inter-satellite Link Experiment (SILEX). Trong vòng vài thập kỷ vừa qua, công nghệ FSO đã được nghiên cứu và chứng minh một cách thành công là có thể được sử dụng trong truyền thông vũ trụ giữa các vệ tinh với tốc độ dữ liệu có thể lên tới 10 Gbps. Mặc dù những kiến thức về các kỹ thuật cần thiết để xây dựng một hệ thống thông tin FSO đã được nghiên cứu bởi nhiều nhà khoa học khác nhau trong nhiều năm liền. Tuy nhiên hệ thống thông tin FSO cho đến nay đây vẫn còn chưa được áp dụng SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 5
  14. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam phổ biến bởi nhiều nguyên nhân khác nhau: - Các hệ thống thông tin liên lạc đang tồn tại đã đủ để giải quyết các nhu cầu thông tin hiện thời. - Những nghiên cứu và phát triển đáng kể của công nghệ FSO cần phải được cải thiện độ tin cậy của các khối để đảm bảo độ tin cậy của toàn hệ thống. - Một hệ thống trong không gian luôn chịu ảnh hưởng bởi sự gián đoạn khi có mặt sương mù dày đặc. - Ngay cả khi sự ảnh hưởng của khí quyển có thể được bỏ qua, thì hệ thống FSO luôn yêu cầu phát hướng điểm chính xác và bộ phận đeo bám nhạy-là những điều vẫn chưa được giải quyết triệt để cho đến tận bây giờ. Tất cả những lý do đó giải thích tại sao cho đến tận bây giờ, công nghệ FSO vẫn chưa được sử dụng rộng dãi trong các mạng truy nhập. Hình 1.2 Chương trình MLCD của NASA 1.1.3 Ưu, nhược điểm của FSO  Ưu điểm: - Băng thông rất lớn: trong bất cứ hệ thống thông tin nào, lượng dữ liệu, thông tin được truyền đi có liên hệ trực tiếp với băng thông của tín hiệu mang tin điều chế. Lượng băng thông cho phép có thể đạt tới 20% của tần số tín hiệu mang. Sử dụng tín hiệu mang là bức xạ quang với khoảng tần số từ 1012-1016 Hz có thể cho băng thông lên tới 2000 Thz. Vì thế mà so với những hệ thống thông tin vô tuyến, thông tin quang đảm bảo lưu lượng thông tin lớn hơn rất nhiều bởi vì tần số của tín hiệu mang tin là bức xạ quang lớn hơn rất nhiều so với tần số sóng mang vô tuyến. - Bán kính tia nhỏ: Bức xạ quang có bán kính tia cực kỳ hẹp, có nghĩa là công SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 6
  15. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam suất phát chỉ phải tập trung trong một diện tích rất là hẹp. Điều này cho phép một đường truyền FSO có sự cách ly không gian đủ để tránh nhiễu từ cách đường truyền FSO khác. Sự chiếm dụng về không gian rất hẹp cũng cho phép các tia laser hoạt động gần như độc lập với nhau, vì thế nên khả năng sử dụng lại tần số gần như là vô hạn trong nhiều môi trường khác nhau. Tuy nhiên, sự hẹp của bức xạ quang cũng đồng nghĩa với yêu cầu về đồng bộ thu phát rất cao. - Phổ tần sử dụng không cần cấp phép: Trong thông tin vô tuyến, các sóng mang có tần số gần nhau gây nhiễu lên nhau chính là vấn đề lớn nhất của thông tin vô tuyến. Để giảm thiểu vấn đề này, các tổ chức quản lý tài nguyên tần số được thành lập để quản lý việc cấp phát và sử dụng tần số của các cá nhân, tổ chức. Vì thế để được cấp phát một dải tần để sử dụng cần phải tốn rất nhiều chi phí và thời gian. Hiện tại thì các tần số quang không phải chịu sự quản lý này do các tín hiệu mạng là bức xạ quang hầu như không gây nhiễu lên nhau ngay cả khi hai đường truyền quang có cùng tần số đặt cạnh nhau. - Rẻ: Giá thành để triển khai một hệ thống thông tin FSO rẻ hơn rất nhiều so với một hệ thống thông tin vô tuyến thông thường khi có tốc độ dữ liệu tương đương nhau. Điều này là do FSO không yêu cầu phí cấp phát dải tần sử dụng và các thành phần trong đường truyền FSO cũng rẻ hơn nhiều. Theo một nghiên cứu gần đây của Canada, giá của 1 Mbps trên một tháng của một hệ thống FSO rẻ bằng một nửa của hệ thống vô tuyến thông thường. - Nhanh chóng và dễ dàng triển khai cũng như tái sử dụng: thời gian cần thiết để triển khai một đường truyền FSO có thể chỉ vài giờ. Yêu cầu chính là việc thành lập một đường truyền không bị cản trở về tầm nhìn giữa máy thu và máy phát. Đường truyền FSO cũng có thể dễ dàng mang đi sử dụng ở khu vực các một cách nhanh chóng và dễ dàng - An toàn thông tin cao: Mặc dù FSO là công nghệ không dây nhưng nó không phát quảng bá tới bất kỳ người nào và tất cả mọi người. FSO phát búp sóng ánh sáng hẹp, tần số rất cao tới một nơi xác định. Do đó rất khó cho một cá nhân nào đó có thể thu trộm thông tin mà không bị phát hiện. Các hệ thống FSO thường được lắp đặt càng cao càng tốt để các phương tiện giao thông qua lại không làm ảnh hưởng tới búp sóng quang. Một con chim có thể làm gián đoạn việc truyền thông tin, nhưng điều đó chỉ xảy ra trong chốc lát và hệ thống sẽ nhanh chóng phục hồi. Trong khi đó, việc thu trộm SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 7
  16. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam thông tin đòi hỏi phải đặt thiết bị trên đường đi của búp sóng trong khoảng thời gian dài. Phải thừa nhận rằng việc đặt thiết bị thu trộm thông tin giữa hai khối FSO là rất khó khăn do kích thước búp quang rất hẹp, khó xác định được vị trí búp, búp lại thường được đặt ở rất cao và không gần bất cứ thứ gì. Việc phát hiện thiết bị thu trộm là hoàn toàn có khả năng thực hiện được do búp quang trong tầm nhìn thẳng, có thể sử dụng các máy quay phim để giám sát việc lắp đặt thiết bị thu trộm và đường truyền của búp sóng quang để phát hiện bất cứ hoạt động khả nghi nào.  Nhược điểm: Giới hạn cơ bản của FSO do môi trường truyền dẫn gây ra. Với FSO truyền trong môi trường khí quyển thì sự hoạt động của hệ thống FSO phụ thuộc rất nhiều vào thời tiết và điều kiện khí quyển. Sự không cố định về tính chất của kênh truyền FSO là trở ngại lớn nhất trong việc triển khai một hệ thống FSO. Tuy nhiên điều này không xảy ra chỉ với FSO, các đường truyền vô tuyến hay thông tin vệ tinh cũng bị ảnh hưởng bởi thời tiết và có thể bị mất liên kết trong điều kiện mưa lớn hay tuyết. Ngoài việc tuyết và mưa có thể làm cản trở đường truyền quang, FSO chịu ảnh hưởng mạnh bởi sương mù và sự hỗn loạn của không khí. Những thách thức chính trong việc thiết kế hệ thống FSO: Hình 1.3 Những thách thức đối với FSO - Sự trôi búp Sự trôi búp xảy ra khi luồng gió hỗn loạn (gió xoáy) lớn hơn đường kính của búp sóng quang gây ra sự dịch chuyển chậm nhưng đáng kể của búp sóng quang. Sự trôi búp cũng có thể là kết quả của các hoạt động địa chấn gây ra sự dịch chuyển tương đối giữa vị trí của laser phát và bộ thu quang. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 8
  17. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam - Giữ thẳng hướng phát-thu khi tòa nhà dao động Giữ thẳng hướng giữa khối phát và khối thu là rất quan trọng nhằm đảm bảo sự thành công của việc truyền tín hiệu. Đây thực sự là vấn đề phức tạp khi sử dụng búp sóng hẹp phân tán góc và tầm nhìn (FOV). Sự dãn nhiệt của các phần khung tòa nhà hoặc những trận động đất yếu có thể gây ra sự lệch hướng. Trong khi sự dãn nhiệt có đặc tính chu kỳ theo ngày hoặc mùa thì động đất lại không thể dự đoán được. Một nguyên nhân gây ra sự lệch hướng nữa là gió, đặc biệt khi các thiết bị thu phát được đặt trên các tòa nhà cao. Sự dao động của tòa nhà là một quá trình ngẫu nhiên làm ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống và gây ra lỗi. - Sự an toàn cho mắt Với sự gia tăng của các hệ thống truyền thông quang vô tuyến sử dụng các búp laser hướng về các vùng dân cư mật độ cao, sự an toàn cho mắt là vấn đề đáng được quan tâm. Những hệ thống FSO này phải an toàn đối với mắt, có nghĩa là chúng phải không gây nguy hiểm cho những người vô tình gặp phải các búp sóng quang. Yêu cầu này rõ ràng sẽ tạo ra giới hạn trên cho cường độ búp sóng phát của laser. Khi thiết kế các hệ thống thông tin quang, người thiết kế phải đảm bảo rằng các bức xạ quang phải an toàn và không được gây ra bất cứ tác hại nào cho những người mà tiếp xúc với nó. Các tia bức xạ quang có thể gây tổn thương cho cả da và mắt, tuy nhiên tác hại đối với mắt là đáng ngại hơn cả bởi vì mắt có khả năng tập trung năng lượng quang. Mắt người có thể tập trung ánh sáng trong dải từ 0.4-1.4 μm. Những dải bước sóng khác có xu hướng bị hấp thụ bởi giác mạc của mắt trước khi năng lượng được tập trung. 1.2 Các kiến trúc mạng đƣợc dùng trong FSO mặt đất Các hệ thống FSO có thể được thiết kế và làm việc trong bất kỳ cấu hình mạng nào, bao gồm cấu hình lưới, điểm – điểm, điểm – đa điểm, vòng. Việc này giúp cho các nhà cung cấp mạng khu vực đô thị dễ dàng xây dựng và mở rộng mạng tốc độ cao tới các khách hàng. 1.2.1 Kiến trúc mạng lưới Một mạng lưới bao gồm một chuỗi các nút mạng được kết nối với nhau với mức độ dư thừa nhất định cho việc dự phòng. Trong những mạng kiểu này, mọi nút mạng đều được kết nối với các nút khác một cách trực tiếp hoặc thông qua một số chặng. Mức dư thừa trong mạng quyết định mức kết nối trong mạng. Do đó, số lượng nút mạng càng nhiều thì mức dư thừa kết nối càng lớn, khả năng đảm bảo liên lạc càng SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 9
  18. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam cao. Kiến trúc mạng lưới có độ tin cậy cao, dễ thêm nút mạng nhưng bị giới hạn về khoảng cách. Hình 1.4 Kiến trúc mạng lưới 1.2.2 Kiến Trúc Mạng Điểm – Đa Điểm Kiến trúc điểm – đa điểm cung cấp kết nối với chi phí rẻ hơn và thuận tiện cho việc thêm nút mạng với chi phí về băng thông thấp hơn kiến trúc điểm – điểm. Hình 1.5 Kiến trúc mạng điểm- đa điểm Trong kiến trúc mạng điểm – đa điểm một nút mạng đóng vai trò như một nút khởi đầu và nhiều tuyến quang vô tuyến được bắt nguồn từ nút này. Phương pháp hiệu quả nhất là nối mỗi tuyến FSO tới một thiết bị lớp 2 hoặc lớp 3 đặt trong một phòng của tòa nhà. Sau đó các tuyến này được nối bằng sợi quang tới bộ chuyển mạch hoặc định tuyến đặt ở vị trí bất kỳ trong tòa nhà, có thể là tầng trên cùng hay ở một phòng khác. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 10
  19. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam 1.2.3 Kiến Trúc Mạng Nhiều Tuyến Điểm – Điểm Hình 1.6 Kiến trúc điểm- điểm Kiến trúc mạng nhiều tuyến điểm – điểm thích hợp cho những trường hợp cần tạo ra một tuyến mở rộng vượt quá giới hạn cự ly hoặc bị bắt buộc phải rút ngắn cự ly tuyến quang do vấn đề thời tiết. Đây là kiểu kết nối giành riêng với khả năng cung cấp băng tần rộng hơn. 1.2.4 Kiến Trúc Mạng Vòng Hình 1.7 Kiến trúc mạng vòng Trong kiến trúc mạng vòng, các nút mạng nối với nhau thông qua các tuyến quang vô tuyến tạo thành vòng khép kín và có thể phân nhánh thành các tuyến điểm – điểm. Kiến trúc mạng vòng có độ tin cậy cao hơn kiến trúc điểm – điểm và điểm – đa điểm. Đồng thời, nó lại không phức tạp như kiến trúc mạng lưới. 1.3 Mô hình hệ thống FSO Cũng giống như bất kỳ một hệ thống thông tin nào khác, một hệ thống FSO cũng bao gồm 3 thành phần cơ bản: máy phát, kênh truyền dẫn và máy thu. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 11
  20. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam Các thành phần chính trong hệ thống truyền thông quang không dây được minh họa như trong hình 1.8 Hình 1.8 Sơ đồ khối của hệ thống truyền thông quang không dây 1.3.1. Bộ phát Dữ liệu đầu vào phía nguồn được truyền tới một đích ở xa. Phía nguồn có cơ chế điều chế sóng mang quang riêng, chẳng hạn như điều chế laser, tín hiệu quang sau đó sẽ được truyền đi qua kênh khí quyển. Các tham số của hệ thống phát quang là kích cỡ, công suất và chất lượng búp sóng, các tham số này xác định cường độ laser và góc phân kỳ nhỏ nhất có thể đạt được từ hệ thống. Phương thức điều chế được sử dụng rộng rãi tại bộ phát là điều chế cường độ (IM), trong đó cường độ phát xạ của nguồn quang sẽ được điều chế bởi số liệu cần truyền đi. 1.3.2 Kênh truyền Kênh truyền của một hệ thống FSO là kênh truyền tự do có thể trong môi trường nước, không gian, khí quyển. Một kênh thông tin quang khác với kênh nhiễu Gauss thông thường đó là trong kênh thông tin quang, tín hiệu truyền đi x(t) thể hiện công suất chứ không phải biên độ. Điều này dẫn đến hai giới hạn về tín hiệu được truyền: - tín hiệu truyền đi phải không âm; - giá trị trung bình của tín hiệu truyền đi không được vượt quá giá trị cực đại của công suất phát. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 12
  21. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam 1.3.3 Bộ thu Tại phía thu, trường quang được tập trung lại và được tách, cùng với sự xuất hiện của xuyên nhiễu, méo tín hiệu, và bức xạ nền. Bên phía thu, các đặc tính quan trọng là kích cỡ độ mở (aperture size) và số lượng photon, những đặc tính này xác định lượng ánh sáng được tập trung và phạm vi tách trường quang của bộ tách quang. 1.4. Kết luận Nội dung chương 1 đã giới thiệu khái quát về hệ thống truyền thông quang qua không gian cũng như mô hình của hệ thống FSO. Tương lai ngày càng đòi hỏi phải có các giải pháp truyền dẫn tốc độ cao để đáp ứng yêu cầu của các doanh nghiêp, tổ chức và cá nhân. Các giải pháp cũng cần phải có chi phí hiệu quả, triển khai nhanh, truyền dẫn thông tin một cách an toàn và tin cậy. FSO có thể đáp ứng các yêu cầu này và sẽ được sử dụng ngày càng nhiều trong tương lai. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 13
  22. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam CHƢƠNG 2: MỘT SỐ ỨNG DỤNG TIÊU BIỂU CỦA HỆ THỐNG FSO 2.1 Ứng dụng trong thông tin mặt đất Công nghệ FSO có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, trong các mạng truy nhập và các mạng đô thị (metro networks). Khoảng cách từ hầu hết những người sử dụng đầu cuối đến các mạng xương sống là ngắn (chỉ vào khoảng 1 dặm trở lại) nên công nghệ FSO có thể là giải pháp lý tưởng cho vấn đề “nút thắt cổ chai”, đóng vai trò như là cầu nối giữa mạng cáp quang xương sống và người sử dụng đầu cuối. Dưới đây là một số lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu của FSO: 2.1.1 Kết nối tốc độ cao giữa các tòa nhà Hiện nay, các doanh nghiệp đang gặp phải vấn đề quá tải lưu lượng mạng tại các kết nối giữa các tòa nhà. Với các doanh nghiệp sử dụng các mạng nội bộ dựa trên tiêu chuẩn Gigabit Ethernet, các kết nối 2.048 (hoặc 1.544) Mbit/s giữa các tòa nhà sẽ làm hạn chế lưu lượng kết nối. Trong khi đó, các doanh nghiệp với yêu cầu số liệu lớn mong muốn truyền dẫn dung lượng cao giữa các trụ sở doanh nghiệp mà không sử dụng các kết nối sợi quang chi phí cao. Việc lắp đặt sợi quang cũng phức tạp và tốn thời gian hơn. Ngoài ra, việc xin cấp phép, vấn đề an ninh, đào rãnh, đặt cáp và yêu cầu về môi trường cũng là các vấn đề trở ngại. Để loại bỏ các vấn đề trở ngại trên và tăng lưu lượng kết nối, các doanh nghiệp có các tòa nhà nằm trong tầm nhìn thẳng chuyển sang sử dụng các giải pháp FSO. Các giải pháp FSO cho phép loại bỏ: - Tắc nghẽn về lưu lượng. - Yêu cầu xin phép và cấp giấy phép. - Việc đào rãnh, cống và đặt cáp. - Vấn đề liên quan tới hợp đồng thuê (cho thuê) tòa nhà. - Tốn thời gian lắp đặt. - Chi phí cao. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 14
  23. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam Hình 2.1 Kết nối tốc độ cao giữa các tòa nhà Về mặt công nghệ, ứng dụng ít thách thức nhất là sử dụng FSO làm đường truyền số liệu kết nối các tòa nhà đô thị (kết nối giữa các mạng LAN). Trong ứng dụng này, cự ly tuyến FSO từ vài trăm mét cho tới vài km, việc triển khai FSO đơn giản và tốn ít chi phí lắp đặt hơn bất kỳ loại cáp nào. FSO có thể sử dụng làm đường truyền dẫn tốc độ cao nối người dùng Internet với nhà cung cấp hoặc các mạng khác. Nó cũng có thể được sử dụng làm hệ thống mạng vòng đô thị để cung cấp các kết nối tốc độ cao cho các doanh nghiệp. FSO có thể được dùng để mang lưu lượng của mạng di động từ antenna tới các thiết bị khác của mạng. FSO thậm chí có thể dùng để truyền số liệu giữa một tàu vũ trụ ở xa và một trạm ở gần trái đất. 2.1.2 Ứng dụng trong mạng truy nhập đầu cuối FSO là giải pháp lý tưởng đề làm cầu nối về băng thông giữa người dùng đầu cuối và mạng xương sống. Thông tin cáp quang ở mạng xương sống có thể cung cấp băng thông khổng lồ với tốc độ dữ liệu rất lớn. Tuy nhiên băng thông khổng lồ của thông tin quang trong các mạng lõi lại không thể được sử dụng hết bởi người sử dụng trong các mạng truy nhập. Lý do là vì giới hạn băng thông của công nghệ truyền dẫn trên cáp đồng được sử dụng phổ biến để kết nối giữa người sử dụng và mạng cáp quang xương sống. Điều này này dẫn đến việc tốc độ dữ liệu mà người dùng có thể sử dụng bị hạn chế rất nhiều, vấn đề này được gọi là “nghẽn cổ chai ở mạng truy nhập”. Đã có rất nhiều giải pháp được đưa ra để giải quyết vấn đề này như: Internet cáp quang FTTH, công nghệ siêu băng rộng không dây UBW, công nghệ thông tin quang tự do FSO Và công nghệ FSO là giải pháp hứa hẹn nhất bởi những ưu điểm như giá thành thiết kế, triển khai và sử dụng lại thấp, băng thông lớn, phổ tần không cần cấp phép SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 15
  24. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam Hình 2.2 FSO ứng dụng trong mạng truy nhập đầu cuối Trên thực tế, đường truyền dẫn FSO với khoảng cách từ 50m đến vài km đã được triển khai trên thị trường với tốc độ dữ liệu có thể từ 1 Mbps lên tới 10 Gbps. - Đường truyền dẫn dự phòng cho cáp quang: công nghệ FSO có thể được sử dụng để cung cấp đường truyền dự phòng trong trường hợp đường truyền cáp quang chính gặp sự cố. - Dùng trong các mạng tế bào: Công nghệ FSO có thể được sử dụng làm đường truyền dẫn backhaul giữa các trạm gốc (BS) và các trung tâm chuyển mạch (switching centres) trong mạng thông tin di động 3G, 4G hoặc là để truyền dẫn tín hiệu CDMA IS-95 từ các tế bào tới các trạm gốc. - Đường truyền dẫn tạm thời trong trường hợp thiên tai: Công nghệ FSO được ứng dụng ở những nơi cần đến đường truyền dẫn tạm thời khi những đường truyền dẫn chính bị phá vỡ do thiên tai như động đất, núi lửa, sóng thần FSO khi đó có thể được sử dụng để kết nối cho 1 hội nghị. - Mạng truyền dẫn trong trường học: Công nghệ FSO đã được sử dụng để kết nối giữa các khuôn viên của trường đại học, trung tâm nghiên cứu, và cung cấp link dự phòng với tốc độ tương đương FAST-Ethernet hoặc có thể lên tới GigabitEthernet. - Ứng dụng ở những nơi địa hình khó khăn: Công nghệ FSO là một giải pháp tốt để dùng làm cầu nối về dữ liệu qua những khoảng cách như là vượt qua một SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 16
  25. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam con sông, qua một đường phố rất đông đúc, qua đường ray xe lửa hoặc nhưng nơi mà đường nối trực tiếp là không thể thực hiện được hoặc quá đắt để thực hiện. - Truyền hình với độ nét cao (HD): Do yêu cầu khổng lồ về băng thông của máy quay độ nét cao và tín hiệu truyền hình với độ nét cao, công nghệ FSO ngày càng được sử dụng nhiều ở ngành công nghiệp truyền hình dùng để truyền tín hiệu trực tiếp từ máy quay có độ nét cao (HD) ở các trạm di động tới trung tâm truyền hình (Truyền hình trực tiếp). 2.1.3 Ứng dụng trong trao đổi thông tin cá nhân Truyền thông quang không dây với khoảng cách ngắn đã được nghiên cứu và ứng dụng mạnh mẽ trong trao đổi thông tin giữa các thiết bị cá nhân trong vòng vài thập kỷ gần đây. Bên cạnh những ưu điểm như băng thông khổng lồ, phổ tần không cần đăng ký thì còn một ưu điểm nữa khiến cho thông tin quang không dây thích hợp cho trao đổi thông tin giữa các thiết bị cá nhân đó là an toàn cho sức khỏe và an toàn thông tin cao. Nguyên nhân là do khoảng cách ngắn, yêu cầu công suất phát bức xạ quang thấp. Hơn thế nữa, các thiết bị sử dụng công nghệ FSO không gây can nhiễu lên các hệ thống thông tin vô tuyến khác. Các ứng dụng trong điều khiển, trao đổi thông tin qua giữa các điện thoại đều có thể ứng dụng được công nghệ truyền thông quang không dây. 2.2 Ứng dụng trong thông tin vệ tinh Sóng vô tuyến thường được sử dụng để truyền thông tin giữa các vệ tinh và giữa các vệ tinh với trạm mặt đất. Tuy nhiên, xu hướng mới trong thông tin vệ tinh đang được phát triển gần đây đó là sử dụng bức xạ quang laser làm tín hiệu mang tin thay cho sóng vô tuyến. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 17
  26. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam Hình 2.3 FSO trong thông tin vệ tinh Cơ quan vũ trụ Châu âu (ESA) trong dự án SILEX đã sử dụng đường truyền dẫn quang không dây 50 Mbps để trao đổi thông tin hai lần một ngày giữa một vệ tinh tầm thấp (LEO) và một vệ tinh địa tĩnh (GEO) từ năm 2003. Chương trình thông tin liên quỹ đạo giữa các vệ tinh sử dụng bức xạ quang (OICETS) đã được nghiên cứu và phát triển bởi cơ quan thăm dò vũ trụ Nhật Bản (JAXA) trong năm 2005. Chính vì thế, xu hướng mới trong thông tin vệ tinh là sử dụng thông tin quang không dây để phục vụ nhiều mục đích trong không gian khác nhau. Dưới đây sẽ trình bày một số hoạt động cần thiết trong không gian sử dụng thông tin quang không dây: 2.2.1 Phục vụ các hoạt động của con người trong không gian Trong tương lai gần, không chỉ phi hành gia mà những người bình thường cũng sẽ có cơ hội du lịch trên không gian vũ trụ bằng tàu vũ trụ. Du lịch vũ trụ phát triển, điều tất yếu là sẽ yêu cầu có kết nối internet tốc độ cao trên các tàu vũ trụ và các trạm vũ trụ. Trên các trạm vũ trụ như trạm vũ trụ quốc tế (ISS), các phi hành gia và các chuyên gia cũng cần có những phương tiện giải trí như ở mặt đất. Ví dụ như, để giải tỏa căng thẳng và giải trí, các phi hành gia và các chuyên gia cũng cần xem các bộ phim nổi tiếng, các bài hát hay như ở dưới mặt đất. Điều này hoàn toàn có thể thực hiện nếu sử dụng thông tin quang không dây. Nếu sử dụng đường truyền quang 1 Gbps, chúng ta có thể gửi lên trên vũ trụ những bộ phim, bản nhạc mới nhất chỉ trong vòng vài phút. Và điều quan trọng hơn, SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 18
  27. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam đó là các nhà khoa học có thể gửi được những số liệu thu thập và kết quả nghiên cứu một cách tức thời từ trên trạm vũ trụ xuống mặt đất và ngược lại. Truyền thông quang không dây đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng để thực hiện những mục đích đó. 2.2.2 Truyền dữ liệu từ những vệ tinh quan sát Rất nhiều vệ tinh quan sát trái đất đã được phát triển phục vụ cho việc dự báo thời tiết và thăm dò trái đất. Để việc đo đạc được chính xác hơn, độ phân giải từ các cảm biến phải càng cao và như vậy tần suất và phạm vi quan sát càng lớn hơn. Vì thế yêu cầu tốc độ truyền dẫn dữ liệu từ vệ tinh đến trạm mặt đất phải lớn hơn. Thông tin quang không dây có thể đáp ứng được điều này. Hình 2.4 Truyền dẫn quang không dây từ vệ tinh tới trạm mặt đất 2.2.3 Trao đổi thông tin giữa tàu vũ trụ và các vệ tinh Trong rất nhiều tàu vũ trụ, kết nối internet hoàn toàn có thể thực hiện được. Các tàu vũ trụ sử dụng bằng Ku cho việc kết nối. Tốc độ truyền dẫn dữ liệu tối đa hiện tại là 20Mpbs khi truyền từ các vệ tinh tới tàu vũ trụ và 1Mbps khi truyền từ các tàu vũ trụ tới vệ tinh. Với tốc độ truyền dẫn như vậy, cản trở rất lớn khi yêu cầu trao đổi thông tin tức thì hoặc khi yêu cầu truyền dẫn dữ liệu dung lượng lớn. Chính vì thế mà công nghệ truyền dẫn quang không dây đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng trong truyền dẫn giữa các vệ tinh, giữa vệ tinh và các tàu vũ trụ SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 19
  28. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam CHƢƠNG 3: CÁC VẤN ĐỀ TRONG VIỆC THIẾT KẾ TUYẾN QUANG KHÔNG DÂY 3.1 Giới thiệu chƣơng Chương này giới thiệu các vấn đề chi tiết hơn trong việc xây dựng vận hành và tối ưu 1 tuyến quang không dây – ứng dụng đặc trưng nhất của hệ thống quang không dây như sau: Các phần cần có trong 1 tuyến quang Yếu tố ảnh hưởng, đánh giá, nâng cao chất lượng tuyến quang không dây Đặc điểm đường truyền trong FSO Vấn đề lựa chọn tần số 3.2 Đặc điểm, yêu cầu của bộ phát Yêu cầu quan trọng của hệ thống là kích thước và phẩm chất. Kích thước bề mặt laser xác định công suất ra lớn nhất an toàn có thể giảm những ảnh hưởng khi có vật cản (như chim bay ngang qua). Phẩm chất của thiết bị cùng với số F (xác định trường nhìn) và bước sóng, xác định độ phân tán của chùm laser ở phía thu. Lựa chọn những bộ phát có những tham số gần với những thiết bị phát của mạng cáp quang nhằm giảm giá thành và khâu chuẩn bị thiết bị trong quá trình thiết kế. Thiết bị phát phải có công suất lớn, đảm bảo an toàn với mắt người. Thường sử dụng theo chuẩn phân loại sau: Bảng 3.1 Phân loại độ an toàn laser của bộ phát nguồn 880 nm 1310 nm 1550 nm Nhóm 1 >= 0,5 mW >= 8,8 mW >= 10 mW Nhóm 2 N/A N/A N/A Nhóm 3A 0,5 – 2,5 mW 8,8 – 45 mW 10 – 50 mW Nhóm 3B 2,5 – 500 mW 45 – 500 mW 50 – 500 mW Các hệ thống hoạt động ngoài trời thường sử dụng các Laser công suất cao trong nhóm 3B để đạt độ dự trữ công suất tốt. Tiêu chuẩn an toàn đề nghị rằng những hệ thống này nên đặt ở nơi mà luồng ánh sáng không bị gián đoạn, hay bị nhìn trược tiếp bởi mắt người 1 cách tình cờ. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 20
  29. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam 3.3.1 Nguồn phát Bộ phát thường sử dụng laser diode vì nó phổ biến trên thị trường và đáp ứng những bước sóng mong muốn. Những tham số then chốt cần phải xem xét trong quá trình thiết kế: bước sóng λ, công suất P0, thời gian lên tr , thời gian xuống tf . LD phát chùm ánh sáng cường độ cao dựa trên dòng ngưỡng đầu vào, hoạt động phụ thuộc nhiệt độ T. Hình 3.1 thể hiện 2 đặc tuyến của cường độ ánh sáng đầu ra trên dòng đầu vào ở hai điều kiện nhiệt độ khác nhau T1 và T2 (T1 < T2). Ta thấy, dòng ngưỡng Ith dịch sang phải ở nhiệt độ T2. Dòng ngưỡng này là hàm của nhiệt độ: (3.1) Trong đó I0, K1, T1 là những hằng số cho từng laser cụ thể. Ví dụ, laser o DBF có I0=1.8mA, K1=3.85mA và T1=40 C. Hình 3.1 Dòng laser, điện áp thuần và công suất quang đầu ra Hình 3.1 cho thấy khi nhiệt độ tăng từ T1 lên T2 thì đặc tuyến của Laser thay đổi. Ở đây ta thấy độ dốc giảm và dòng Ith tăng làm cho hiệu suất của Laser giảm. Quá trình điều chế làm việc như sau: ta duy trì một dòng phân cực qua LD đủ bằng Ith, khi truyền bit „1‟ dòng phân cực tăng lên (Ith +I0) tạo phát xạ lớn đầu ra. Còn khi truyền bit „0‟ thì dòng vẫn giữ nguyên hoặc có tăng nhưng chưa đủ như ở mức „1‟ thì không có tín hiệu. Có nhiều phương pháp điều chế nhưng phương pháp điều chế cường độ IM hay OOK phù hợp với tính đặc tính này nhất. Ngoài cách thức điều chế và công suất, thì vấn đề tần số cũng quan trọng cho việc lựa chọn thiết bị. Có 2 cửa sổ tần số mà thường được dùng trong LASER có bước sóng 780-925nm và 1525-1580nm. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 21
  30. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam Hình 3.2 Điều chế IM ở hai nhiệt độ khác nhau Hệ thống FSO phải đạt được các chỉ tiêu sau: Khả năng hoạt động ở tần số cao (quan trọng đối với hệ thống FSO khoảng cách xa). Sự điều chế tốc độ cao (quan trọng đối với hệ thống FSO tốc độ cao). Vùng phủ nhỏ và công suất tiêu thụ nhỏ (điều này luôn quan trọng trong tất cả các hệ thống). Có khả năng hoạt động trong phạm vi nhiệt độ lớn mà không giảm hiệu suất đáng kể (quan trọng đối với hệ thống ngoài trời). Thời gian trung bình giữa 2 lần bị sự cố là hơn 10 năm. Để thỏa mãn yêu cầu trên, ta thường sử dụng Laser phát xạ mặt với bộ cộng hưởng thẳng đứng (VCSELs) dùng cho phạm vi bước sóng hồng ngoại ngắn và Laser FD hay DFB dùng cho phạm vi bước sóng hồng ngoại dài. Các loại Laser khác là không thích hợp cho hệ thống FSO hiệu suất cao. Hình 3.3 Cấu tạo Laser VCSEL SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 22
  31. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam 3.3.2 Bộ khuếch đại Nguồn khuếch đại, như EDFAs và các bộ khuếch đại bán dẫn (SOAs), được sử dụng để nâng công suất của các nguồn Laser công suất thấp. Công nghệ EDFAs và SOA cũng có thể khuếch đại 1 bước sóng và đa bước sóng đồng thời, cái mà được biết là ghép kênh phân chia bước sóng (WDM). Với độ lợi có thể lớn hơn 30dB, EDFAs có thể tạo ra công suất ra ở bước sóng 1550nm của 1 hệ thống FSO lên khoảng 1W đến 2W. Ở thời điểm hiện tại EDFAs có thể giá thành còn khá cao, và mục đích sử dụng của chúng ta hướng tới hệ thống hoạt động ở tốc độ 1 Gbps. 3.3 Đặc điểm, yêu cầu của bộ thu So với thiết bị phát ánh sáng, bộ phận thu có nhiều giới hạn hơn. Hai hệ thống tách sóng thông thường nhất dùng trong phạm vi phổ gần hồng ngoại dựa trên công nghê silicon hay InGaAs. Tất cả các thiết bị có 1 đáp ứng phổ khá rộng, và không như Laser, chúng không hoạt động ở 1 khoảng bước sóng đặc biệt. Nếu ta cần giải điều chế 1 bước sóng đặc biệt trong hê thống WDM, thì các bộ lọc bước sóng bên trong sẽ kết hợp chặt chẽ vào trong thiết kế. 3.3.1 Bộ tách sóng các bước sóng ngắn (hồng ngoại 1330nm) Silicon là thường được sử dụng là vật liệu tách sóng trong vùng bước sóng gần hồng ngoại và thấy được. Công nghệ silicon là rất hoàn thiện, và thiết bị thu silicon có thể tách được tín hiệu của các ánh sáng ở mức cực thấp. Cũng như phần lớn vật liệu tách sóng băng rộng, Silicon có 1 đáp ứng phổ độc lập với bước sóng hoạt động của bộ phát. Bộ tách sóng dựa trên Silicon thường có 1 đáp ứng nhạy cao tại bước sóng 850nm, tạo ra bộ tách sóng lí tưởng sử dụng cùng với bộ phát xạ VCSELs bước sóng ngắn 850nm. Tuy nhiên độ nhạy của nó giảm nhanh khi ở vùng bước sóng 1µm. Như kết quả thực nghiệm, 1100nm đánh dấu bước sóng cắt của bộ tách sóng dùng silicon, và nó không thể hoạt động ngoài vùng này. Bộ tách sóng silicon có thể hoạt động ở băng thông rất lớn, một ứng dụng hiện tại là khoảng 10Gbps. Có 2 bộ tách sóng thông dụng: PIN silicon (Si-PIN) và APD (Si-APD). Si-PIN với bộ khuếch đại đổi tần tích hợp cũng rất thông dụng. Trong các bộ tách sóng này, thì độ nhạy là 1 hàm của băng thông tín hiệu điều chế, và độ nhạy sẽ giảm khi băng thông tách sóng tăng lên. Giá trị độ nhạy thông thường của Si-PIN là khoảng -34dB ở tốc độ 155Mbps. Si-APD có độ nhạy cao hơn vì tiến trình khuếch đại bên trong. Vì vậy bộ SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 23
  32. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam tách sóng Si-APD là hữu ích hơn trong FSO. Độ nhạy cho các ứng dụng băng thông rộng, có thể thấp hơn -55dBm ở tốc độ vài Mbps, -52dBm ở tốc độ 155Mbps, -46dBm ở 622Mbps. Bộ tách sóng silicon có thể hơi lớn về kich thước (ví dụ: 0.2 x 0.2 mm) và vẫn hoạt động ở tốc độ cao. Đặc tính này sẽ giảm thiểu suy hao khi ánh sáng tập trung vào bộ tách sóng và hoặc là các thấu kính đường kính lớn hay gương parabol phản xạ được dùng. 3.3.2 Bộ tách sóng các bước sóng dài (hồng ngoại 1550nm) InGaAs là vật liệu thường dùng cho việc tách sóng các bước sóng dài. Tương tự như Silicon, InGaAs là 1 vật liệu tách sóng băng thông rộng, và đáp ứng phổ hay hiệu ứng lượng tử cơ bản là phụ thuộc vào bước sóng giải điều chế. Các thập niên trước, đặc tính của bộ tách sóng InGaAs về độ nhạy, băng thông hữu dụng và các kỹ thuật sợi quang bước sóng 1550 nm đã liên lục được phát triển. Gần 100% hệ thống sợi quang sử dụng InGaAs là vật liệu tách sóng. Về mặt kinh tế, bộ tách sóng InGaAs là có thể tối ưu cho bước sóng 1310 nm hoặc 1550 nm. Vì độ nhạy giảm nghiêm trọng ở các bước sóng ngắn nên InGaAs không dùng cho việc tách sóng ở phạm vi bước sóng 850nm. Lợi ích lớn nhất của bộ tách sóng InGaAs là khả năng hoạt động ở băng thông cực lớn kết hợp với đáp ứng phổ cao ở bước sóng 1550 nm. Hầu hết các bộ thu InGaAs sử dụng công nghệ PIN hay APD. Cũng như slicon, InGaAs APD có độ nhạy cao hơn vì tiến trình khuếch đại bên trong. Giá trị độ nhạy băng thông cao -46dBm ở tốc độ 155Mbps, hay -36dBm cho tốc độ 1,25 Gbps; mặc dù kích thước của bộ tách sóng InGaAs là nhỏ hơn so với thiết bị tương tự cho silicon. Điều này làm cho việc nối kết ánh sáng gặp nhiều khó khăn hơn. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 24
  33. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam Hình 3.4 Mô hình một bộ thu phát Laser dùng trong hệ thống FSO 3.4 Đặc điểm kênh truyền trong hệ thống FSO 3.4.1. Các loại suy hao trong môi trường truyền dẫn FSO Kênh truyền của hệ thống FSO bao hàm sự truyền, hấp thụ và tán xạ ánh sáng bởi khí quyển trái đất. Khí quyển tương tác với ánh sáng phụ thuộc vào thành phần không khí, trong điều kiện bình thường, bao gồm nhiều loại phân tử khí và các hạt lơ lửng khác nhau. Sự tương tác tạo ra nhiều hiện tượng quang học khác nhau: hấp thụ chọn lọc, tán xạ, sự chập chờn ánh sáng thu được. Sự hấp thụ chọn lọc: của những bức xạ được truyền trong các bước sóng ánh sáng được tạo ra từ những tương tác của các photon và các phân tử, nguyên tử (H2O, CO2, N2, O2, H2, O3 ). Điều này dẫn đến sự biến mất của các photon truyền tới, suy hao tín hiệu và làm tăng nhiệt độ xung quanh. Hiện tượng này phụ thuộc vào thành phần không khí và bước sóng ánh sáng sử dụng. Có những vùng bước sóng mà sự truyền gần như trong suốt (không có hấp thụ) gọi là cửa sổ tần số. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 25
  34. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam Hình 3.5 Ảnh hưởng của môi trường đến tuyến FSO Tán xạ: môi trường không khí là kết quả tương tác một phần ánh sáng và các phần tử (bụi, các dạng hạt nước trong không khí) trong môi trường truyền sóng. Nó chỉ thay đổi hướng bức xạ của thành phần tương tác mà không có thay đổi bước sóng. Tán xạ xảy ra khi kích thước của các hạt trong không khí có kích thước tương đương với bước sóng của ánh sáng được truyền. Và trong điều kiện thực tế thì chủ yếu tạo ra do sương mù, mưa phùn. Hiện tượng chập chờn: trong FSO là những sự thay đổi của tín hiệu dưới sự ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ bên trong môi trường truyền, sự phân bố ngẫu nhiên của các lớp không khí trên đường truyền được tạo ra. Các lớp này có khoảng cách biến đổi (10cm – 1km) và có nhiệt độ khác nhau, tạo ra các hệ số khúc xạ khác nhau là nguyên nhân sinh ra sự tán xạ, đa đường, biến đổi góc tới. Tín hiệu thu được thay đổi nhanh với phạm vi tần số 0.01 – 200 Hz. Mặt sóng thay đổi tạo ra sự hội tụ và phân kỳ của chùm ánh sáng. Ngoài ra, các tác động khác cũng ảnh hưởng rất lớn đến đường tryền như các vật chắn phát sinh trong khi sử dụng: cây cối phát triển, các loài sinh vật biết bay, sự di chuyển của tòa nhà hay cột tháp lắp thiết bị, sự chấn động của mặt đất làm lệch hướng tia sáng. Các loại này xác xuất xảy ra rất thấp và ta cũng có thể loại bỏ được. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 26
  35. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam Sơ đồ tổng kết ảnh hưởng môi trường tới hệ thống FSO: Ảnh hƣởng của khí quyển trong sự truyền của trƣờng ánh sáng Ảnh hƣởng làm suy Ảnh hƣởng của hệ giảm tín hiệu số phản xạ Sự nhiễu loạn Mất tia Tán xạ Hấp thụ Suy của không khí sáng, do sự hao ngẫu nhiên thay đổi + Hấp thụ trong + Tán xạ làm thay đổi chậm của Rayleigh (bởi vạch của các không hệ số phản xạ các hệ số cộng hưởng phân tử khí gian phản xạ + Hấp thụ electron) + Tán xạ Mie liên tục; (do các hạt + Hấp thụ Méo Mở Nhấp Thay phân tử trong bởi các phần mặt rộng tia nháy đổi không khí) tử đặc. lỏng. sóng sáng góc tới 3.4.2 Ảnh hưởng của sự thay đổi không khí đến chất lượng tín hiệu Sự thay đổi tính chất của không khí gây ra sự biến thiên cường độ tín hiệu theo không gian và thời gian ở đầu thu. Nguyên nhân là sự thay đổi này làm cho chỉ số khúc xạ bị thay đổi và không khí giống như những thấu kính làm lệch chùm tia so với hướng chính đến phía thu. Thời gian thay đổi này chính là thời gian chùm tia được truyền qua không gian và nó phụ thuộc vào tốc độ gió. Thực tế cho thấy, nếu sự thăng giáng yếu thì hàm phân bố cường độ tín hiệu tỉ lệ theo hàm logarit. Đối với quang không gian sử dụng truyền lan theo phương ngang, sự thay đổi này mạnh hơn nên hàm phân bố cường độ thu theo quy luật hàm mũ. Tham số thường được sử dụng để đo mức độ thay đổi không khí là tham số cấu trúc khúc xạ . Nó quan hệ trực tiếp với tốc độ gió. Sự thay đổi của có thể được sử dụng để dự đoán sự thay đổi cường độ tín hiệu ở đầu thu. (3.2) Trong đó: là phương sai của sự thay đổi cường độ tín hiệu. là tham số cấu trúc khúc xạ ( . SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 27
  36. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam k là hằng số truyền sóng (rad/m). L là khoảng cách (m). Từ biểu thức ta thấy: Cường độ thay đổi không khí tỉ lệ nghịch với bước sóng sử dụng (hệ thống hoạt động ở bước sóng 780 nm có sự thay đổi khoảng hai lần ở 1550 nm). Ảnh hưởng sự thay đổi tỉ lệ thuận với khoảng cách. Ảnh hưởng của sử thay đổi được mô tả trong hình 3.6. Hình vẽ thể hiện miệng máy thu với những đóm màu đen và trắng được phân bố ngẫu nhiên. Kích thước vệt đóm tỉ lệ (λR)1/2. Ở bước sóng dài vệt đốm lớn hơn ở miệng máy thu. Điều này không tốt cho hoạt động của hệ thống vì có ít vệt đốm trên miệng thu. Nếu miệng thu chỉ nhận được một vệt thì yêu cầu phía phát phải tăng công suất để đảm bảo BER khi vệt đó là vệt đen. Kích thước tỉ lệ với căn bậc hai với khoảng cách. Cự li xa hơn ảnh hưởng xấu đến hệ thống. Hình 3.6 Vệt đốm và kích thước trung bình miệng thu 3.5 Yếu tố ảnh hƣởng, đánh giá, nâng cao chất lƣợng tuyến quang không dây 3.5.1 Tham số ảnh hưởng đến chất lượng của tuyến 3.5.1.1 Phương trình truyền của tuyến Phương trình truyền của hệ thống quang không gian ở dạng đơn giản (bỏ qua hiệu suất quang máy phát, nhiễu máy thu ): (3.3) SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 28
  37. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam Trong đó: là diện tích mặt máy thu (m2) Div là góc phân kì của chùm tia (radian). α là hệ số suy giảm không khí . Ptransmit là công suất máy phát (W). exp(-α.Range) là hàm mũ cơ số e của tích hệ số suy giảm và khoảng cách. Công suất thu tỉ lệ thuận với công suất phát và diện tích miệng thu. Tỉ lệ nghịch với bình phương của tích góc phân kì chùm tia và khoảng cách truyền. Tỉ lệ nghịch với hàm mũ của hệ số suy giảm không khí và khoảng cách. Nhìn vào phương trình những biến có thể thay đổi được là: công suất phát, kích thước miệng thu, góc phân kì chùm tia và khoảng cách. Hệ số suy giảm thì không thể điều khiển được, phụ thuộc điều kiện môi trường bên ngoài và có thể độc lập với bước sóng trong môi suy hao nghiêm trọng. Nhận thấy công suất thu phụ thuộc rất lớn vào tích hệ số suy giảm và khoảng cách. Hình 3.7 mô tả điều này. Điều đó có nghĩa là trong những điều kiện thời tiết xấu, dù người thiết kế có tăng công suất phát, kích thước miệng thu, lắp đặt chùm tia rất hẹp thì công suất thu vẫn không thay đổi. Chỉ có một tham số thay đổi được là khoảng cách, nó phải đủ ngắn để đảm bảo hệ số suy giảm không chiếm chủ yếu trong phương trình. Hình 3.7 Công suất thu phụ thuộc vào tích hệ số suy giảm và khoảng cách SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 29
  38. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam Trục x thể hiện khoảng cách R (m) của tuyến. Trục y là giá trị của hệ số nhân exp(-α.Range) (hàm mũ logarit tự nhiên) và hệ số nhân trong biểu thức (3.3). Qua phần này ta thấy sự ảnh hưởng lớn của hệ số suy giảm trong môi trường thời tiết xấu trong phương trình truyền so với các đại lượng khác. Tuy nhiên, ta có thể đạt được những thiết kế hiệu quả, tối ưu, hoạt động tin cậy và kinh tế dưới những ràng buộc này. 3.5.1.2 Độ suy giảm của không khí Tham số ảnh hưởng đến chất lượng đường truyền chủ yếu là sự suy hao không khí. Ta đi phân tích ảnh hưởng của tham số này. Sự suy giảm công suất laser khi qua môi trường không khí được định nghĩa theo định luật Beers-Lambert: (3.4) Trong đó: là hàm truyền ở khoảng cách R. P(R) là công suất ở khoảng cách R. P(0) là công suất ở nguồn phát. α là hệ số suy giảm (1/Km). Những hệ số suy giảm thường gặp : không khí khô = 0.1 (0.43dB/Km), bụi mù= 1 (4.3dB/Km) và sương mù =10 (43dB/Km). Hệ số suy giảm tạo nên từ sự hấp thụ và tán xạ các photon laser của các phân tử khí trong không khí. Vì các bước sóng thường được lựa chọn để sử dụng (785 nm, 850 nm, 1550nm) nằm trong vùng cửa sổ truyền nên ảnh hưởng hệ số hấp thụ nhỏ so với tổng suy hao. Do đó, ảnh hưởng của hệ số suy giảm do tán xạ đường truyền gây ra là chủ yếu. Loại tán xạ được xác định bởi kích thước hạt cụ thể so với bước sóng truyền. Nó được mô tả bởi số kích thước gọi là tham số kích thước α : (3.5) Trong đó: r là bán kính hạt tán xạ, λ là bước sóng laser. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 30
  39. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam Bảng 3.2 bán kính của hạt tán xạ trong không khí và tham số kích thước tương ứng của bước sóng laser 785 nm và 1550 nm. Loại Bán kính Thông số kích thước α (µm) 785 nm 1550 nm Phân tử không khí 0.0001 0.0008 0.0004 Sương mù 0.01 – 1 0.08 – 8 0.04 – 4 Hơi nước 1 – 20 8 – 160 4 – 80 Mưa 100 – 10000 800 – 80000 400 – 40000 Tuyết 1000 – 5000 8000 – 40000 4000 – 20000 Mưa đá 5000 – 50000 40000 – 800000 20000 - 400000 Tán xạ Rayleigh xảy ra khi những hạt không khí nhỏ hơn bước sóng laser (785 nm và 1550 nm) do những phân tử khí (Cox, Nox ) trong không khí. Hệ số suy giảm thay đổi theo λ-4 . Ảnh hưởng của tán xạ này trong hệ số suy giảm tổng là rất nhỏ. Khi kích thước hạt tiến tới bước sóng laser, bức xạ của tán xạ hạt theo hướng ngược với hướng truyền. Tán xạ này là tán xạ Mie do hạt sương mù nhỏ gây ra. Với tán xạ Mie thì số mũ bước sóng trong quan hệ với hệ số suy giảm thay đổi từ -1.6 tới 0. Hình 3.8 Tham số kích thước hạt tán xạ Hình 3.8 thể hiện tham số kích thước hạt tán xạ trong bảng 3.2 ở bước sóng laser 785nm và 1550nm tương ứng cho tán xạ Rayleigh, Mie và tán xạ không lựa chọn. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 31
  40. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam Tán xạ thường gặp thứ ba xảy ra khi kích thước hạt lớn hơn bước sóng. Với tham số kích thước lớn hơn 50, tán xạ này gọi là tán xạ hình học hoặc không có lựa chọn (vì không có sự phụ thuộc của hệ số suy giảm vào bước sóng và số mũ của bước sóng trong hệ số suy giảm bằng 0). Những hạt tán xạ này đủ lớn để góc của bức xạ tán xạ có thể mô tả bằng quang hình học. Mưa rơi, tuyết và sương dày sẽ gây tán xạ này. Lượng tán xạ không khí cho những tuyến thông tin ngắn hoặc là phụ thuộc vào bước sóng (tán xạ Mie) hoặc độc lập với bước sóng (tán xạ hình học hoặc không lựa chọn). 3.5.2 Tham số đánh giá chất lượng của tuyến 3.5.2.1 Khả năng sử dụng tuyến Khả năng sử dụng tuyến là yếu tố then chốt được xem xét khi lắp đặt hệ thống. Chịu sự ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố: Độ tin cậy của thiết bị. Yếu tố này có thể đảm bảo chắc chắn bằng lựa chọn, tính toán, thiết kế. Số liệu thống kê độ suy giảm không khí là yếu tố chưa biết. Nó được thu thập thông qua những thiết bị chuyên dụng như thiết bị đo tầm nhìn, lượng mưa Những thiết bị này thường được lắp đặt cùng hệ thống quang không gian. Từ số liệu của những thiết bị này, ta mới tính toán được hệ số suy giảm không khí. Và ta có thể ước lượng được chính xác khả năng sử dụng tuyến trên một khoảng cách đường truyền. 3.5.2.2 Tỉ lệ lỗi bit BER và tốc độ dữ liệu trên khoảng cách truyền Ta xét ảnh hưởng của sương mù dựa trên khoảng tầm nhìn. Tòa nhà phía xa cách tòa nhà được chụp ảnh khoảng 300m. Bức hình bên trái thể hiện không khí khô, hệ số suy hao khoảng 6.5dB/Km (tầm nhìn 2000m) được đo thông qua dụng cụ nephelometer (dụng cụ đo độ đục) gắn trên máy chụp ảnh. Suốt quá trình sương mù, hệ số suy hao được đo khoảng 150dB/Km (tầm nhìn khoảng 113m) được thể hiện trong bức hình ở giữa, tòa nhà vẫn còn nhìn thấy. Ở bức hình bên phải, hệ số suy hao là 225dB/Km (tầm nhìn khoảng 75m) và tòa nhà hoàn toàn mất hút. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 32
  41. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam Hình 3.9 Ảnh hưởng của sương mù, bão tuyết Đối với hệ thống thông tin quang không dây, ta cần quan tâm đến tỉ lệ lỗi bit (BER) trên khoảng cách và tốc độ dữ liệu trên khoảng cách. Hệ thống thông tin cáp quang thì đặc tính kênh truyền được biết rất rõ còn hệ thống quang không dây rất khó trong việc mô hình kênh truyền. Nó phải sử dụng lý thuyết thống kê để tính toán. Và đặc tính kênh này tác động lên hệ số BER trong chuỗi bit truyền. Hình 3.10 Hệ số BER trên khoảng cách ở 1,25Gb/s Từ hình 3.10 ta thấy: Do ảnh hưởng suy hao do môi trường rất lớn nên khi tăng khoảng cách lên từ 10m –15m thì hệ số BER đã thay đổi đáng kể từ 10-12 đến 10-6. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 33
  42. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam Hình 3.11 Tốc độ dữ liệu trên khoảng cách Hình 3.11 cho thấy tốc độ dữ liệu giảm xuống từ 1,25Gb/s đến 100Mb/s nhưng khoảng cách tăng thêm được 30m. Vậy trong những điều kiện thời tiết khác nhau, thiết kế tốt nhất cho hệ thống quang không gian là đẩy những tham số (tốc độ và tỉ số BER) tới giới hạn của nó, việc giảm giá trị những yếu tố này không có ý nghĩa trong việc tăng khoảng cách. 3.5.3 Tham số nâng cao chất lượng của tuyến Điều khiển công suất laser: Hai yếu tố ảnh hưởng đến thời gian sống của laser diode bán dẫn là:  Nhiệt độ hoạt động trung bình của diode: Với diode laser AlGaAs, năng lượng hoạt động là 0.65eV, có thời gian sống tăng hai lần khi nhiệt độ giảm 100C. Hình 3.12: Hàm thời gian sống của diode giảm theo chiều tăng nhiệt độ SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 34
  43. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam  Nhân tố thứ hai là công suất ra trung bình của laser. Hình 3.13: Thời gian sống tỉ lệ nghịch với công suất ra của laser Xét thấy yếu tố nhiệt độ là không thể điều khiển trong hệ thống ngoài trời nên để tăng thời gian sống cho thiết bị phát ta cần điều khiển công suất ra tự động. Vì phần lớn thời gian tuyến hoạt động trong môi trường không khí khô nên có thể giảm công suất phát của laser. Những hệ thống mà không có sự điều khiển công suất sẽ khó đạt được thời gian sống mong muốn. 3.6 Lựa chọn tần số Ánh sáng 800 nm nằm gần vùng hồng ngoại nên không nhìn thấy được. Luồng ánh sáng trong vùng này đi vào mắt sẽ được tập trung với hệ số 100.000 lần nên khi chạm vào võng mạc sẽ gây nguy hiểm. Và nguy hiểm hơn khi võng mạc không có cảm giác đau, nhưng luồng quang ở bước sóng 1550 nm bị hấp thụ ở giác mạc và thủy tinh thể và không hội tụ tại võng mạc. Vậy tốt hơn nên chọn sử dụng bước sóng gần 1550 nm vì độ an toàn cho mắt sẽ cao hơn 50 lần so với khi chọn bước sóng 800 nm. Ngoài ra công suất sử dụng cho phép sẽ cao hơn cũng là 1 ưu điểm nhưng ngược lại là sự ảnh hưởng tới các hiệu suất hoạt động khác. Những bước sóng thường dùng trong kĩ thuật thông tin quang không dây nằm trong dải từ 750nm đến 1600nm. Đặc điểm vật lý của công suất truyền qua không khí tương tự như những bước sóng nằm trong dải nhìn thấy. Nhưng có những yếu tố ảnh hưởng đến sự lựa chọn này. 3.6.1 Ảnh hưởng của sự suy giảm không khí tới bước sóng Mặc dù, không khí được xem như trong suốt ở những ánh sáng nhìn thấy nhưng những bước sóng trong dải 750nm đến 1600nm chịu sự hấp thụ của nước (một phần không thể thiếu trong không khí thậm chí ở điều kiện thời tiết khô). SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 35
  44. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam Hình 3.14: Trục x thể hiện bước sóng, trục y thể hiện sự truyền từ 0 đến 1. Thanh trên cùng thể hiện một lượng hấp thụ chỉ có nước trong không khí. Nhiều bước sóng truyền kém vì ảnh hưởng này, đặc biệt trong vùng 1.3nm đến 1.4nm. Thanh thứ hai thể hiện ảnh hưởng sự hấp thụ của các loại khí, sự suy giảm này nhỏ và có thể bỏ qua. Sự hấp thụ của các loại khí (COx, NOx, ) cũng đóng góp tạo nên sự suy giảm của tín hiệu. Tuy nhiên, ảnh hưởng của nó có thể bỏ qua ở những bước sóng dài (>2000nm). Hình 3.14 Sự phụ thuộc truyền bước sóng vào những điều kiện không khí, được đo ở khoảng cách 1km, tầm nhìn là 200m Trong điều kiện sương mù, mưa nặng hạt ảnh hưởng của tán xạ Mie do những hạt nước nhỏ trong không khí sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự truyền sóng. Đây là sự suy giảm chủ yếu so với những điều kiện thời tiết khác và tác động như nhau đến tất cả dải bước sóng. Thanh cuối cùng thể hiện sự kết hợp tác động của tất cả các yếu tố trên. Nhìn vào ta thấy có vài cửa sổ bước sóng gần như trong suốt (độ suy hao < 0.2dB/Km) có thể sử dụng để truyền dẫn thuận lợi. Đó là những bước sóng nằm gần bước sóng trung tâm 750nm và 1550nm. Đây là một trong những lý do sử dụng bước sóng này trong hệ thống FSO. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 36
  45. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam 3.6.2 Thiết bị thu, phát  780nm-850nm: Một số nhà sản xuất đã cung cấp nguồn laser công suất cao hoạt động trong vùng này. Các thiết bị laser phát bước sóng 780nm này rẻ tiền, luôn có trên thị trường và có tuổi thọ cao khi hoạt động ở công suất lớn. Ở bước sóng 850, laser rất tin cậy và đặc biệt nó thường được dùng trong mạng quang. Các máy thu APD và laser phát bề mặt tiên tiến (VCSEL) cũng được sản xuất làm việc ở bước sóng này.  1520nm-1600nm: Những bước sóng này thích hợp cho việc truyền qua không gian. Những thành phần thu và phát luôn sẵn sàng. Và kết hợp đặc điểm suy hao thấp tạo ra sự phát triển hệ thống WDM-FSO khả thi hơn. Tuy nhiên, những thiết bị này đắt hơn và máy thu có độ nhạy thấp hơn khi so với APD photodiode bước sóng 850nm. Những bước sóng này được sử dụng trong hệ thống cáp quang nhằm giảm giá thành. Đồng thời, tăng khả năng hoạt động những thiết bị hoạt động ở dải này. 3.6.3 Sự an toàn với mắt người Khi lắp đặt hệ thống thông tin quang không dây, thiết bị phát tạo ra những chùm laser vào những khu vực có người sinh sống nên đảm bảo an toàn cho mắt người trở nên quan trọng. Vì đặc tính mắt người khá khác nhau đối với hai khoảng bước sóng quang chiếm ưu thế nên việc xem xét an toàn cho mắt đóng một vai trò quan trọng trong toàn bộ việc phát triển thương mại. Những hệ thống hoạt động ở hai bước sóng 800 nm và 1550 nm. Những chùm laser ở 800nm nằm gần vùng hồng ngoại, không giống như những ánh sáng thấy được, nó vượt qua vùng giác mạc và thủy tinh thể và được hội tụ thành một vết nhỏ trên võng mạc. Chùm ánh sáng chuẩn trực xâm nhập vào mắt, ở vùng bước sóng nguy hiểm cho võng mạc, sẽ được tập trung 100.000 lần khi nó đập vào. Vì võng mạc không có cảm giác đau và ánh sáng không nhìn thấy không gây nháy mắt ở 800nm nên có thể bị hủy hoại trước khi nạn nhân nhận thức được. Tương phản với trường hợp trên, chùm laser 1550nm bị hấp thụ bởi giác mạc và thủy tinh thể nên nó không hội tụ trên võng mạc. Có thể thiết kế để bộ phát an toàn cho mắt ở cả hai bước sóng 800 nm và 1550 nm. Nhưng do điều kiện kiện sinh lý của mắt người, nên công suất laser an toàn có thể chấp nhận ở 1550 nm lớn hơn khoảng 50 lần khi dùng 800 nm. Hệ số 50 này có ý SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 37
  46. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam nghĩa đối với những người thiết kế hệ thống bởi vì thêm công suất phát cho phép hệ thống truyền được qua khoảng cách dài hơn hoặc qua vùng có sự suy giảm mạnh và hỗ trợ cho tốc độ dữ liệu cao hơn. 3.7 Kết luận chƣơng Những vấn đề được trình bày trong chương đã cho thấy hệ thống FSO hoàn toàn có thể thực hiện được. Và ứng dụng của nó là rất hiệu quả trong nhiều đối tượng khác nhau như cho các nhà cung cấp dich vụ di động, mạng MAN thành phố, hay cho các khách hàng trực tiếp muốn có dung lượng truy cập cao. Tuy hệ thống FSO có nhiều vấn đề về đường truyền, các yêu cầu an toàn cũng như khả năng hoạt động trong điều kiện xấu. Nhưng hầu như các yếu tố đều có thể được giải quyết nếu chúng ta thiết kế, chon thiết bị và các thông số hợp lí thì sẽ đem lại kết quả khả quan. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 38
  47. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ TỐI ƢU TUYẾN THÔNG TIN QUANG KHÔNG DÂY TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM 4.1 Giới thiệu chƣơng Chương này trình bày việc thiết kế tuyến FSO trong điều kiện khí hậu Việt Nam bằng việc ghép 8 bước sóng tại đầu vào máy phát thông qua bộ ghép kênh WDM, truyền chúng qua kênh truyền không khí trong phạm vi 1km sử dụng bộ giải ghép kênh thu được 8 kênh đầu ra. Dựa trên các thông số cho trước như độ nhạy máy thu, khoảng cách tuyến và đặc điểm kênh truyền để xây dựng lưu đồ thuật toán để tính toán, tối ưu công suất phát, tốc độ bit, tỉ lệ lỗi bit BER và bước sóng bằng Matlab. Thực hiện mô phỏng tuyến bằng chương trình mô phỏng Optisystem 7.0 và so sánh kết quả qua đồ thị, số liệu của chương trình với kết quả tối ưu của chương trình Matlab. 4.2 Đánh giá điều kiện thời tiết Việt Nam và tính toán 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 Đông 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 xuân, 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, không khí mát mẻ. Mùa đông thường vào tháng 11 đến tháng 2 năm sau, mùa này khí hậu lạnh và hanh khô. Miền Nam Việt Nam gồm khu vực Tây Nguyên và Nam Bộ. Miền này có khí hậu nhiệt đới gió mùa điển hình với hai mùa: mùa khô và mùa mưa (mùa mưa từ tháng SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 39
  48. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam 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 Đông 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 Đông 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 còn hơi nước nên gió mùa Tây Nam gây ra thời tiết khô nóng (có khi tới > 40 °C, độ ẩm không 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 không 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 đô thị phát triển nhất trong cả nước thì gần như không 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. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 40
  49. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam Hình 4.1 Mô tả ngày sương mù bình quân tại các tỉnh thành trên cả nước (nguồn từ Trung Tâm Khí Tượng Thủy Văn Quốc Gia ) 4.2.2 Tính toán 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 không khí bị ảnh hưởng do hấp thụ và tán xạ bởi phần tử không khí và hạt chất lỏng và rắn. Việc truyền của ánh sáng trong môi trường không khí được mô tả bằng định luật Beer Lamber: SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 41
  50. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam (4.1) trong đó: τ(λ) là hàm truyền tổng cộng của không khí ở bước sóng λ P(λ,L) là công 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 ( không kể đến sương mù) Để tính suy hao do mưa gây ra ta dùng công thức CARBONNEAU sau: (dB/km) (4.3) Để tính suy hao do tán xạ nói chung (không phải sương mù) ta dùng công 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 công thức: SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 42
  51. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam Và tầm nhìn V thì theo bảng số liệu sau: Mưa rất to trên Mưa to 50- Mưa vừa Mưa Trời 180mm/h, 100mm/h, nhỏ hơn nhỏ trong mưa đá sương mù nhẹ 50mm/h đến mưa xanh vừa Tầm nhìn 0,5 1 2 4 >10 (km) 4.2.3 Tính toán độ dự trữ công suất và BER tuyến FSO Tính toán 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 toán đánh giá chất lượng của tuyến FSO. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 43
  52. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam 4.3 Thiết kế, tính toán và tối ƣu tuyến FSO 4.3.1 Lưu đồ thuật toán, chương trình và kết quả tính toán bằng Matlab Dựa trên những thông tin có được, ta xây dựng thuật toán 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. - Bước sóng : 830nm - 1550nm SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 44
  53. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam  Lƣu đồ thuật toán START Nhập dữ liệu đầu vào (khoảng cách link, lượng mưa, độ nhạy photon/bit) Tính tầm nhìn (visibility) và hệ số q 2 vòng lặp quét các tốc độ và bước sóng khả dụng Tính độ nhạy máy thu và suy hao tổng Vòng lặp quét các giá trị công suất khả dụng Yes P-re > P-sen + Margin Tính BER BER < BERmax Yes Ghi lại thông số (rate,bước sóng) No Quét hết giá trị Power No Quét hết giá trị Rate, λ END SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 45
  54. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam  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 =25 & rain<50) visibility=-36*rain + 2800; SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 46
  55. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam end if (rain>=12.5 & rain =2.5 & rain =2.5 & rain 50000) q=1.6; end if (visibility>6000 & visibility 1000 & visibility<=6000) q=0.16*visibility/1000 + 0.34; SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 47
  56. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam end if (visibility>500 & visibility 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) 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); P_transmit_optimize(i)=P_transmit(k); SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 48
  57. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, 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') SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 49
  58. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam  Kết quả bằng đồ thị của chƣơng trình tính toán bằng Matlab Hình 4.2 BER thay đổi theo công suất Hình 4.3 Preceive thay đổi theo BER phát ở 1550nm và tốc độ 1.25Gbps bước sóng 1550nm và tốc độ 1,25Gbps 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: - Công suất : 10dBm – 25dBm, - Bit rate : 1.25Gbps - Loại điều chế : RNZ - Loại máy phát : EML SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 50
  59. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, 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 SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 51
  60. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam Bộ giải kênh DEMUX 1-8  Mô hình tuyến FSO 1km Hình 4.4 Mô hình tuyến FSO 1km tại Việt Nam SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 52
  61. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, 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 SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 53
  62. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam  Kết luận Từ kết quả tính toán và mô 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 toán bằng FSO. Trong điều kiện mưa trên 100mm/h chỉ xảy ra dưới 1% (4 ngày/năm) thì FSO là hoàn toàn có thể được áp dụng trong những trường hợp cụ thể với xác suất vận hành tốt là 99%. Từ phần mô phỏng ta có thể thấy khả năng mở rộng băng thông của tuyến FSO cho những yêu cầu tốc độ cao. Và sau khi phát triển hoàn thiện chương trình tính toán 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. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 54
  63. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam KẾT LUẬN Truyền thông quang không dây (FSO) là một công nghệ rất hứa hẹn đang ngày càng nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. Dung lượng của hệ thống FSO tương đương với dung lượng của thông tin cáp quang, tuy nhiên giá thành để triển khai lại chỉ bằng một phần nhỏ so với FTTH. Đồ án đã cung cấp được cái nhìn trực quan và dễ hiểu nhất về công nghệ truyền dẫn quang không dây FSO. Các khái niệm cơ bản nhất liên quan đên công nghệ FSO như ưu nhược điểm, mô hình cơ bản một hệ thống FSO, ; cũng như phân tích các vân đề về việc lắp đặt hệ thống quang không dây tại Việt Nam; phân tích kết quả trên chương trình Matlab 2009 và thực hiện thiết kế mô phỏng tuyến quang không dây trên phần mềm Optisystem 7.0 trong điều kiện khí hậu Việt Nam đã được trình bày khá đầy đủ. Các kiến thức đã được chọn lọc từ rất nhiều tài liệu khác nhau để đưa ra những khái niệm chuẩn xác nhất liên quan đến FSO, góp phần tạo nền móng cho việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ đầy hứa hẹn này ở Việt Nam. Trong thời gian thực hiện và hoàn thành bài đồ án, em đã tích lũy dược rất nhiều kiến thức chuyên ngành cũng như được tiếp xúc với một khái niệm công nghệ thực sự mới mẻ. Tuy nhiên vì lượng kiến thức còn hạn chế nên sẽ không tránh khỏi sai sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý Thầy Cô. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn Thầy Dương Hữu Ái đã tận tình hướng dẫn em trong quá trình thực hiện đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn! SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 55
  64. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] 20Nguyen%20Van%20Tien.pdf. Ngày truy cập: 05/04/2016 [2] yen%20Huu%20Hai%202014.pdf. Ngày truy cập: 05/04/2016 [3] va-tinh-toan-thiet-ke-tuyen-quang-vo-tuyen-tai-thanh-pho-da-nang-52075/. Ngày truy cập: 15/04/2016 [4] Đồ án “ Phân tích lỗi không đồng bộ không gian trong hệ thống thông tin quang không dây sử dụng biên độ cầu phương sóng mang” của [5] yen%20Ba%20Luc%202014.pdf. Ngày truy cập: 05/05/2016 [6] Ghassemlooy, Z. and Popoola, W.O, Terrestrial Free-Space Optical Communications, Northumbria University, Newcastle upon Tyne, UK. [7] Ngày truy cập: 07/05/2016 [8] yen%20Huu%20Hai%202014.pdf. Ngày truy cập: 10/05/2016 [9] 123tailieu.com_tinh-toan-toi-uu-tuyen-thong-tin-quang-khong-day-ung-dung- trong-dieu-kien-khi-hau-viet-nam. Ngày truy cập: 15/05/2016 [10] ThS Dương Hữu Ái, năm 2014, Tập san: Phân tích tỷ lệ lỗi ký tự và đánh giá hiệu năng của hệ thống FSO/SC-QAM SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 56
  65. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN Đà Nẵng, ngày tháng năm 2016 Giảng viên SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B
  66. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN Đà Nẵng, ngày tháng năm 2016 Giảng viên SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B