Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thông: Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam

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

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

i

Hồ Thị Kim Tiến

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

ii

2.2.2 Truyền dữ liệu từ những vệ tinh quan sát .................................................. 19

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

iii

4.2.1 Khí hậu Việt Nam ......................................................................................... 39

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

iv

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

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

v

laser cộng hưởng thẳng đứng

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

vi

thước tương ứng của bước sóng laser 785 nm và 1550 nm.

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

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

1

điều kiện khí hậu Việt Nam.

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

2

chóng được triển khai sử dụng và tái sử dụng.

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

3

sinh viên khóa sau tìm hiểu và nghiên cứu sâu hơn về công nghệ mới này.

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.

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

4

Hình 1.1 Hệ thống truyền thông quang không dây

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.

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

5

Tuy nhiên hệ thống thông tin FSO cho đến nay đây vẫn còn chưa được áp dụng

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.

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

6

- Bán kính tia nhỏ: Bức xạ quang có bán kính tia cực kỳ hẹp, có nghĩa là công

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

7

xảy ra trong chốc lát và hệ thống sẽ nhanh chóng phục hồi. Trong khi đó, việc thu trộm

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

8

đối giữa vị trí của laser phát và bộ thu quang.

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

9

nút mạng càng nhiều thì mức dư thừa kết nối càng lớn, khả năng đảm bảo liên lạc càng

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

10

khác.

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

11

cũng bao gồm 3 thành phần cơ bản: máy phát, kênh truyền dẫn và máy thu.

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

12

của công suất phát.

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

13

được sử dụng ngày càng nhiều trong tương lai.

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.

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

14

- Chi phí cao.

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

15

thông lớn, phổ tần không cần cấp phép…

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

16

để dùng làm cầu nối về dữ liệu qua những khoảng cách như là vượt qua một

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

17

thay cho sóng vô tuyến.

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

18

những bộ phim, bản nhạc mới nhất chỉ trong vòng vài phút. Và điều quan trọng hơn,

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

19

trong truyền dẫn giữa các vệ tinh, giữa vệ tinh và các tàu vũ trụ…

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

20

tiếp bởi mắt người 1 cách tình cờ.

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

DBF có I0=1.8mA, K1=3.85mA và T1=40oC.

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

21

sóng 780-925nm và 1525-1580nm.

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.

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

22

Hình 3.3 Cấu tạo Laser VCSEL

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.

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

23

 Si-APD có độ nhạy cao hơn vì tiến trình khuếch đại bên trong. Vì vậy bộ

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

24

kết ánh sáng gặp nhiều khó khăn hơn.

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

25

truyền gần như trong suốt (không có hấp thụ) gọi là cửa sổ tần số.

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

26

tia sáng. Các loại này xác xuất xảy ra rất thấp và ta cũng có thể loại bỏ được.

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 của hệ số phản xạ Ảnh hƣởng làm suy giảm tín hiệu

Tán xạ

Sự nhiễu loạn của không khí ngẫu nhiên làm thay đổi hệ số phản xạ Suy hao trong không gian Mất tia sáng, do sự thay đổi chậm của các hệ số phản xạ

Nhấp nháy Hấp thụ + Hấp thụ vạch của các phân tử khí + Hấp thụ liên tục; + Hấp thụ bởi các phần tử đặc. lỏng. + Tán xạ Rayleigh (bởi cộng hưởng electron) + Tán xạ Mie (do các hạt phân tử trong không khí) Méo mặt sóng Mở rộng tia sáng Thay đổi 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.

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

27

là tham số cấu trúc khúc xạ ( .

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…):

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

28

(3.3)

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.

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

29

Hình 3.7 Công suất thu phụ thuộc vào tích hệ số suy giảm và khoảng cách

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,

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

30

λ là bước sóng laser.

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 Thông số kích thước α Bán kính

(µm) 785 nm 1550 nm

0.0001 0.0008 0.0004 Phân tử không khí

0.01 – 1 0.08 – 8 0.04 – 4 Sương mù

1 – 20 8 – 160 4 – 80 Hơi nước

100 – 10000 800 – 80000 400 – 40000 Mưa

1000 – 5000 8000 – 40000 4000 – 20000 Tuyết

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

31

chọn.

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

32

là 225dB/Km (tầm nhìn khoảng 75m) và tòa nhà hoàn toàn mất hút.

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

33

khoảng cách lên từ 10m –15m thì hệ số BER đã thay đổi đáng kể từ 10-12 đến 10-6.

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.

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

34

Hình 3.12: Hàm thời gian sống của diode giảm theo chiều tăng nhiệt độ

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

35

không thể thiếu trong không khí thậm chí ở điều kiện thời tiết khô).

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

36

thống FSO.

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

37

chấp nhận ở 1550 nm lớn hơn khoảng 50 lần khi dùng 800 nm. Hệ số 50 này có ý

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

38

lại kết quả khả quan.

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

39

hậu nhiệt đới gió mùa điển hình với hai mùa: mùa khô và mùa mưa (mùa mưa từ tháng

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

40

nối ta không cần quan tâm nhiều đến điều kiện sương mù.

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

41

Lamber:

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

42

phân bố kích thước hạt và cho theo công thức:

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 >10 4

(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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

43

hao, đồng thời đưa ra các tham số tính toán đánh giá chất lượng của tuyến FSO.

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.

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

44

- Bước sóng : 830nm - 1550nm

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

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

 Lƣu đồ thuật toán

Tính BER

P-re > P-sen + Margin

Ghi lại thông số

Yes

BER < BERmax (rate,bước sóng)

Yes

Quét hết giá trị Power

No

Quét hết giá trị Rate, λ

END

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

45

No

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<100)

visibility=-4.6*rain+1230;

end

if (rain>=25 & rain<50)

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

46

visibility=-36*rain + 2800;

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<25)

visibility=-72*rain + 3700;

end

if (rain>=2.5 & rain<12.5)

visibility=-310*rain + 6675;

end

if (rain>=2.5 & rain<12.5)

visibility=-310*rain + 6675;

end

if (rain<2.5)

visibility=-5422*rain + 19455;

end

%-------------------------------------------------------------------------------------

%cong them extra_visibility neu co

visibility=visibility+extra_V;

%------------------------------------------------------------------------------------

%tao ma tran P_receive

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

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

lamda X power) toan gia tri 0;

BER=P_receive;

%--------------------------------------------------------------------------------------

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

if (visibility>50000)

q=1.6;

end

if (visibility>6000 & visibility<=50000)

q=1.3;

end

if (visibility>1000 & visibility<=6000)

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

47

q=0.16*visibility/1000 + 0.34;

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

end

if (visibility>500 & visibility<=1000)

q=visibility/1000-0,5;

end

if (visibility<500)

q=0;

end

%-----------------------------------------------------------------------------------------

for i=1:6 %vong lap quet cac toc do bit

for j=1:73 %vong lap quet cac buoc song tu 830 -> 1550

P_sensitivity(i,j) = Nb*rate(i)*10^6* 6.625*10^(-

34)*3*10^8/(lamda(j)*10^(-9));

%tinh P_sensivity(theo buoc song "lamda" va toc do "rate")

P_sensitivity(i,j)= 10*log10(P_sensitivity(i,j)) +30 ; %dBm

beta(j)=exp( (3.912*1000/visibility) * ((lamda(j)/550)^(-q ))*range );

%suy hao tan xa chung

loss(j)=1.076*(rain^0.67)*range +10*log10(beta(j)); %tinh suy

hao tong (theo buoc song lamda)

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

P_receive(i,j,k)=P_transmit(k) - loss(j); %5dBm for magin

%tinh P_receive theo cong suat phat va buoc song

SNR=n*lamda(j)*10^(-9)*10^(P_receive(i,j,k)/10)*10^(-

3)/((rate(i)*10^6/2)*6.625*10^(-34)*3*10^8);

SNR=10*log10(SNR); %ti so tin hieu tren nhieu (dBm)

BER(i,j,k)=0.5*erfc((SNR/2)^0.5); %Bit Error Ratio

if ((BER(i,j,k)<=10^(-3)) & (BER(i,j,k)< BERmax(i)) &

(P_receive(i,j,k) >P_sensitivity(i,j))) %10 la do du tru cong suat(dBm))

%kiem tra thoa BER va so voi BERmax de tim to hop toi uu

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

48

P_transmit_optimize(i)=P_transmit(k);

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')

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

49

text(-pi/4,sin(-pi/4),'\leftarrow sin(-\pi\div4)',... 'HorizontalAlignment','left')

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 4.3 Preceive thay đổi theo BER Hình 4.2 BER thay đổi theo công suất 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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

50

- Loại máy phát : EML

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

51

- Độ nhạy máy thu xấp xỉ : -18.491dBm

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

52

Hình 4.4 Mô hình tuyến FSO 1km tại Việt Nam

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:

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

53

Hình 4.6 Giản đồ mắt và channel kênh 3

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

54

FSO tại một điều kiện ở Việt Nam.

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.

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

55

Em xin chân thành cảm ơn!

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] http://dlib.ptit.edu.vn/bitstream/123456789/792/1/Tom%20tat%20LV%20ThS%

20Nguyen%20Van%20Tien.pdf. Ngày truy cập: 05/04/2016

[2] http://dlib.ptit.edu.vn/bitstream/123456789/1403/1/TT%20LV%20ThS%20Ngu

yen%20Huu%20Hai%202014.pdf. Ngày truy cập: 05/04/2016

[3] http://luanvan.net.vn/luan-van/nghien-cuu-kythuat-thong-tin-quang-vo-tuyen-

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] http://dlib.ptit.edu.vn/bitstream/123456789/1406/1/TT%20LV%20ThS%20Ngu

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] http://thethao60s.com/index/2851006/29092010.aspx. Ngày truy cập:

07/05/2016

[8] http://dlib.ptit.edu.vn/bitstream/123456789/1403/1/TT%20LV%20ThS%20Ngu

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

56

hiệu năng của hệ thống FSO/SC-QAM

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

Giảng viên

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

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B

Giảng viên