Đồ án Tốt nghiệp: nghiên cứu về kỹ thuật truyền sóng vô tuyến qua sợi quang (Radio over Fiber - RoF)

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

LỜI CẢM ƠN

Sau gần 2 tháng nghiên cứu em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình. Tập đồ

án này là kết quả ba năm học tập tại khoa CNTT Ứng dụng, trường Cao đẳng CNTT

Hữu nghị Việt – Hàn. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất của em đến tất cả các

thầy cô giáo trong khoa, những người đã tận tâm, nhiệt tình giúp đỡ, giảng dạy tất cả

các môn học để em có kiến thức thực hiện tốt đề tài.

Qua đây em gửi lời cảm ơn đến cô Phan Thị Lan Anh, người đã tận tình hướng

dẫn em trong suốt thời gian qua.

Bên cạnh đó, em xin gửi lời cảm ơn của mình đến gia đình, những người đã tạo

mọi điều kiện thuận lợi cho em trong việc học tập và động viên giúp đở em cố gắng

làm tốt đề tài tốt nghiệp.

Đà Nẵng, tháng 06 năm 2013

Sinh viên thực hiện

Trang i

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

Phan Thị Kim Thoa

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ i

MỤC LỤC ..................................................................................................................... ii

CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................................................... v

DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................... vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... ix

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG – VÔ

TUYẾN ........................................................................................................................... 3

1.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG ........................................................................................ 3

1.2. THÔNG TIN QUANG [1] ...................................................................................... 3

1.2.1. Ưu nhược điểm của hệ thống thông tin sợi quang ........................................ 3

1.2.1.1. Ưu điểm ....................................................................................................... 3

1.2.1.2. Nhược điểm ................................................................................................. 4

1.2.2. Mô hình tuyến truyền dẫn sợi quang hiện tại ............................................... 5

1.2.2.1. Sợi quang ................................................................................................... 5

1.2.2.2. Bộ phát quang ............................................................................................ 9

1.2.2.3. Bộ thu quang ............................................................................................ 10

1.2.2.4. Bộ khuếch đại quang ................................................................................ 11

1.3. THÔNG TIN VÔ TUYẾN ................................................................................... 11

1.3.1. Giới thiệu thông tin vô tuyến ........................................................................ 11

1.3.2. Các đặc tính của sóng vô tuyến ..................................................................... 12

1.3.2.1. Sự lan truyền của băng tần số thấp ......................................................... 13

1.3.2.2. Sự lan truyền của băng tần số cao ........................................................... 13

1.3.3. Thực trạng của thông tin vô tuyến hiện nay ................................................ 13

1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG ........................................................................................ 15

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN TRÊN SỢI QUANG -

RoF ................................................................................................................................ 16

2.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG ...................................................................................... 16

2.2. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN TRÊN SỢI

QUANG ........................................................................................................................ 16

2.2.1. Khái niệm về công nghệ RoF ........................................................................ 16

Trang ii

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

2.2.2. Các thành phần cơ bản của tuyến quang sử dụng công nghệ RoF ........... 17

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

2.2.3. Kỹ thuật truyền dẫn RoF .............................................................................. 18

2.2.4. Ưu và nhược điểm của công nghệ RoF ........................................................ 19

2.2.4.1. Ưu điểm của công nghệ ............................................................................ 19

2.2.4.2. Những nhược điểm của công nghệ.......................................................... 19

2.3. CÁC KỸ THUẬT TRUYỀN TÍN HIỆU VÔ TUYẾN QUA SỢI QUANG .... 20

2.3.1. Tạo tín hiệu RF bằng IM-DD ........................................................................ 20

2.3.1.1. Giới thiệu về kỹ thuật IM- DD ................................................................. 20

2.3.1.2. Ưu điểm của kỹ thuật IM- DD ................................................................. 21

2.3.1.3. Nhược điểm của kỹ thuật IM- DD ........................................................... 22

2.3.2. Tạo tín hiệu RF bằng bộ điều chế ngoài....................................................... 22

2.3.3. Tạo tín hiệu RF bằng kỹ thuật điều chế trộn nhiều sóng quang (optical

heterodyne) ............................................................................................................... 25

2.3.3.1. Giới thiệu về kỹ thuật optical heterodyne ................................................ 25

2.3.3.2. Nguyên lý của optical heterodyne ........................................................... 25

2.3.3.3. Ưu điểm và nhược điểm của optical heterodyne ..................................... 27

2.3.4. So sánh các kỹ thuật truyền sóng vô tuyến qua sợi quang ......................... 28

2.4. CÁC KỸ THUẬT GHÉP KÊNH TRONG ROF ............................................... 29

2.4.1. Kỹ thuật ghép kênh sóng mang con SCM.................................................... 29

2.4.2. Ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM ............................................... 30

2.5. CẤU HÌNH TUYẾN ROF ................................................................................... 32

2.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG ........................................................................................ 35

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ RoF CHO MẠNG TRUY NHẬP

KHÔNG DÂY .............................................................................................................. 36

3.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG ...................................................................................... 36

3.2. ROF TRONG WLAN Ở BĂNG TẦN 60GHz – GIAO THỨC MAC ............. 36

3.2.1. Giới thiệu ......................................................................................................... 36

3.2.2. Kiến trúc mạng ............................................................................................... 37

3.2.3. Mô tả giao thức MAC – Giao thức bàn cờ ................................................... 38

3.2.3.1. Gới thiệu về giao thức MAC ..................................................................... 38

3.2.3.2. Hoạt động cơ bản của giao thức MAC .................................................... 39

3.2.3.3. Sự chuyển giao trong giao thức MAC ..................................................... 40

Trang iii

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

3.2.3.4. Các thông số quan trọng của giao thức MAC ......................................... 43

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

3.3. ROF TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG ROAD VEHICLE (RVC) ............ 44

3.3.1. Giới thiệu ......................................................................................................... 44

3.3.2. Kiến trúc mạng ............................................................................................... 45

3.3.3. Hoạt động cơ bản trong mạng ...................................................................... 46

3.4. ROF ỨNG DỤNG CHO MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN Ở NGOẠI Ô,

NÔNG THÔN .............................................................................................................. 48

3.4.1. Giới thiệu ......................................................................................................... 48

3.4.2. Kiến trúc mạng ............................................................................................... 48

3.4.3. Hoạt động của mạng ...................................................................................... 49

3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG ........................................................................................ 50

CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA TUYẾN ROF CỤ THỂ SỬ

DỤNG SIMULINK TRONG MATLAB ................................................................... 52

4.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG ...................................................................................... 52

4.2. MỘT TUYẾN ROF CỤ THỂ .............................................................................. 53

4.2.1. Cấu hình hệ thống .......................................................................................... 53

4.2.2. Các thành phần của hệ thống ........................................................................ 53

4.2.3. Hoạt động của hệ thống ................................................................................. 53

4.3. PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘNG CỦA TUYẾN DOWNLINK ............................... 54

4.3.1. Bộ điều chế “dual Mach-Zehnder” – Kỹ thuật điều chế OSSBC .............. 54

4.3.2. Tác động sợi quang ........................................................................................ 57

4.3.3. Tách sóng tại BS – các sản phẩm RF ........................................................... 58

4.4. TUYẾN UPLINK .................................................................................................. 59

4.5. MÔ PHỎNG TUYẾN DOWNLINK .................................................................. 59

4.5.1. Giới thiệu ......................................................................................................... 59

4.5.2. Mô hình hóa và các thông số ......................................................................... 60

4.5.3. Các kết quả mô phỏng và phân tích ............................................................. 61

4.6. PHÂN TÍCH BER CỦA TUYẾN ........................................................................ 65

4.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG ........................................................................................ 66

KẾT LUẬN .................................................................................................................. 67

HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ............................................................................... 68

Trang iv

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 69

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

CÁC TỪ VIẾT TẮT

Second Generation Hệ thống thông tin di động thế hệ 2G

thứ hai

Third Generation Hệ thống thông tin di động thế hệ 3G

thứ ba

Fourth Generation Hệ thống thông tin di động thế hệ 4G

thứ tư

ASK Amplitude Shift Keying Điều chế số theo biên độ tín hiệu

Base Band Băng tần cơ sở BB

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

Base Station Trạm gốc BS

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã

Central Station Trạm trung tâm CS

Distributed Feed Back( laser) Laser hồi tiếp phân tán DFB

DWDM Density Wavelength Division Ghép kênh phân chia theo bước

Multiplexing sóng mật độ cao

Electro Absorption Bộ hấp thụ electron EA

Electro Absorption Modulator Bộ điều chế hấp thụ electron EAM

Erbium Doped Fiber Amplifier Khuêch đại quang sợi có pha tạp EDFA

Erbium

External Optical Modutators Bộ điều chế quang ngoài EOM

European Telecommunications Viện các tiêu chuẩn Viễn thông ETSI

standards Institute Châu Âu

Frequency Shift Keying Điều chế số theo tần số tín hiệu FSK

Institute of Electrical and Viện kỹ nghệ Điện và Điện Tử IEEE

Electronics Engineers

IF Intermediate Frequency Tần số trung tần

IM-DD Intensity Modulation – Direct Điều chế cường độ và tách sóng

Detection trực tiếp

LAN Local Area Network Mạng nội bộ

Trang v

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

LO Laser Ocsillator Bộ dao động laser

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

LTE Long Term Evolution Công nghệ tiến hóa lâu dài

MH Mobile Host Thiết bị di động trong mạng

MZM Mach- Zehnder Modulator Bộ điều chế Mach- Zehnder

OFDM Orthogonal Frequency- Ghép kênh phân chia theo tần số

Division Multiplexing trực giao

OSSBC Optical Single-Side-Band Điều chế quang đơn biên

Modulation

Photo Detector Tách sóng quang PD

Personal Digital Assistant Thiết bị kĩ thuật số hỗ trợ cá nhân PDA

Phase Shift Keying Điều chế số theo phase tín hiệu PSK

PSTN Public Switched Telephone Mạng chuyển mạch điện thoại

Network công cộng

Quality of Service Chất lượng dịch vụ QoS

Radio Frequency Tần số vô tuyến RF

Radio Access Point Giao diện truy cập vô tuyến RAP

WDM Wavelength Division Ghép kênh phân chia theo bước

Multiplexing sóng

Wi-Fi Wireless Fidelity Là mạng 802.11 là hệ thống mạng

không dây sử dụng sóng vô tuyến

Wimax Worldwide Interoperability for Là tiêu chuẩn IEEE 802.16 cho

Microwave Access việc kết nối Internet băng thông

rộng không dây ở khoảng cách lớn

Trang vi

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

WLAN Wireless Local Area Networks Mạng LAN không dây

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Số hiệu Tên hình vẽ Trang hình vẽ

Cáp Corning sử dụng dưới biển có thể có đến 144 sợi 1.1 4 quang

1.2 Sơ đồ khối của hệ thống thông tin sợi quang tiêu biểu 5

Mặt cắt sợi quang (a) đơn mode (b) đa mode (đơn vị 1.3 6 μm)

Truyền ánh sáng trong sợi quang bằng hiện tượng 1.4 6 phản xạ toàn phần

1.5 Suy hao ánh sáng trên sợi quang 7

Minh họa sự giản nở xung do tán sắc khi ánh sáng 1.6 8 được truyền trong sợi

1.7 Cấu trúc chung của một Laser 9

1.8 Sơ đồ khối tổng quát của máy thu quang 10

Sơ đồ chỉ ra các thành phần của mạng truy nhập vô 1.9 13 tuyến băng hẹp

2.1 Mô hình khái niệm về hệ thống RoF 16

2.2 CS và một microcell (BS và MS) trong kiến trúc RoF 17

2.3 Sử dụng phương pháp điều chế với sóng mang quang 18

2.4 Tạo tín hiệu RF bằng điều chế cường độ trực tiếp 21

2.5 Sơ đồ khối bộ điều chế ngoài 23

2.6 Bộ điều chế Mach-Zehnder LiNbO3 23

Bộ điều chế Mach-Zehnder LiNbO3 2.7 24 (a) không có điện áp. (b) có điện áp điều khiển

2.8 Sơ đồ khối kỹ thuật tách sóng hetorodyne 25

Ghép kênh sóng mang con giữa tín hiệu số và tín hiệu 2.9 29 tương tự

2.10 Sự kết hợp truyền dẫn DWDM và RoF 30

2.11 DWDM trong RoF 31

Trang vii

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

2.12 Kiến trúc vòng ring RoF dựa trên DWDM. 32

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

2.13 Các cấu hình trong tuyến RoF 34

Kiến trúc mạng RoF tiêu biểu dùng trong WLAN 3.1 37

Hoạt động cơ bản của giao thức MAC 3.2 39

Độ trễ chuyển giao trong giao thức MAC 3.3 41

MH dùng cặp tần số (ƒ1,ƒm +1) khi di chuyển từ 3.4 42 picocell 1 sang picocell 2

Phân bổ băng thông 3.5 43

Mạng RVC dựa trên kỹ thuật RoF. 3.6 45

Kiến trúc mạng RVC dựa trên kỹ thuật RoF 3.7 46

Ấn định khung trong khi di chuyển. 3.8 47

Kiến trúc mạng RoF bao gồm K bộ thu phát (TRX) và 3.9 49 N trạm BS.

Cấu hình một tuyến RoF 4.1 53

Bộ điều chế ngoài “Dual Mach-Zehnder” 4.2 54

Phổ biên độ 4.3 57

Sơ đồ mô phỏng tuyến downlink 4.4 60

Sản phẩm tại BS của bộ điều chế nhánh trên. 4.5 62

Sản phẩm tại BS của bộ điều chế nhánh dưới. 4.6 62

Sản phẩm ngõ ra của tuyến downlink. 4.7 62

BS với bộ lọc thông dải để lấy tín hiệu dữ liệu ở tần số 4.8 63 RF

Phổ tín hiệu tại BS 4.9 63

Hình dáng tín hiệu với bit 1 4.10 64

Bộ điều chế có dữ liệu 4.11 64

Hình dáng tín hiệu dữ liệu với các bit 1-0 lần lượt 4.12 65 (isignal).

Trang viii

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

4.13 Phổ của tín hiệu dữ liệu 65

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Số hiệu bảng Trang Tên bảng

Các thông số tán sắc của một số sợi quang 8 1.1 theo ITU

Phân loại, cơ chế và sử dụng sóng vô tuyến 12 1.2

Phân bổ tần số đối với các hệ thống truy nhập 14 1.3 vô tuyến băng rộng

So sánh các kỹ thuật truyền dẫn và phát sóng 28 2.1 milimet

Trang ix

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

So sánh băng tần của các hệ thống sửa dụng 29 2.2 kĩ thuật RoF

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

Ngày nay, nhu cầu trao đổi thông tin liên lạc, truy cập mạng của xã hội không

ngừng phát triển. Con người luôn mong muốn có một tốc độ đường truyền mạnh hơn,

nhanh hơn, băng thông rộng hơn, vùng phủ sóng rộng khắp, các dịch vụ đạt chất lượng

cao, không xảy ra nghẽn mạng, nhưng giá cả thì phải chăng.

Đáp ứng lại nhu cầu đó em chọn đề tài “Nghiên cứu về Kỹ Thuật Truyền Sóng

Vô Tuyến Qua Sợi Quang (Radio Over Fiber - RoF)”.

Kỹ thuật Radio over Fiber - RoF, một kỹ thuật mà hiện nay được coi là nền tảng

cho mạng truy nhập không dây băng thông rộng trong tương lai, với các ưu điểm vượt

trội như: suy hao thấp, băng thông rộng, không chịu ảnh hưởng của nhiễu tần số vô

tuyến …

Chính vì vậy, việc tìm hiểu về đề tài trên là cần thiết và có ý nghĩa thực tế.

2. Mục đích nghiên cứu

Tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin quang và thông tin vô tuyến, nhằm

mục đích hiểu rõ hơn về ưu, nhược điểm của hệ thống.

Tìm hiểu, nghiên cứu sâu về kỹ thuật Radio over Fiber, nêu lên được các ưu,

nhược điểm, các đặc tính cơ bản của kỹ thuật.

Ứng dụng kỹ thuật Radio over Fiber và mạng truy nhập không dây.

Phân tích hoạt động của 1 tuyến RoF cụ thể, nhằm biết được quá trình làm việc

cụ thể của các thành phần trong tuyến.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

“Nghiên cứu về kỹ thuật truyền song vô tuyến qua sợi quang – Radio Over

Fiber - RoF”

4. Phương pháp nghiên cứu

Tham khảo các tài liệu: sách, website và các giáo trình lien quan.

Nhờ sự giúp đở của giáo viên hướng dẫn.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Kỹ thuật truyền sóng vô tuyến qua sợi quang (Radio over Fiber (RoF)), một kỹ

thuật mà hiện nay được coi là nền tảng cho mạng truy nhập không dây băng thông

Trang 1

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

rộng trong tương lai.

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

Tuy kỹ thuật RoF chỉ mới trong giai đoạn nghiên cứu, phát triển và thử nghiệm

nhưng những kết quả mà nó mạng lại rất khả quan, khiến nhiều người tin tưởng đó sẽ

là một kỹ thuật cho các ứng dụng mạng truy nhập vô tuyến trong tương lai. Vì vậy, kỹ

thuật RoF là một kỹ thuật rất cần mở rộng và phát triển rộng rãi vào cuộc sống hiện

Trang 2

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

nay.

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN

QUANG – VÔ TUYẾN

1.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Nội dung chương này nhằm giới thiệu tổng quan về:

+ Hệ thống thông tin quang

+ Hệ thống thông tin vô tuyến

1.2. THÔNG TIN QUANG [1]

Khác với thông tin hữu tuyến và vô tuyến, các loại thông tin sử dụng môi trường

truyền dẫn tương ứng là dây dẫn và không gian, thông tin quang là một hệ thống

truyền tin thông qua sợi quang. Điều đó có nghĩa là thông tin được chuyển thành ánh

sáng và sau đó ánh sáng được truyền qua sợi quang. Tại nơi nhận, nó lại được biến đổi

trở lại thành thành thông tin ban đầu.

1.2.1. Ưu nhược điểm của hệ thống thông tin sợi quang

1.2.1.1. Ưu điểm

Trong thông tin sợi quang các ưu điểm sau của sợi quang đã được sử dụng một

cách hiệu quả: độ suy hao truyền dẫn thấp và băng thông lớn. Thêm vào đó, chúng có

thể sử dụng để thiết lập các đường truyền dẫn nhẹ và mỏng, không có xuyên âm với

các đường sợi quang bên cạnh và không chịu ảnh hưởng của nhiễu hiệu ứng sóng điện

từ. Trong thực tế sợi quang là phương tiện truyền dẫn thông tin hiệu quả và kinh tế

nhất đang có hiện nay.

Trước hết, nó có dung lượng cực lớn: Băng thông(BW) gấp khoảng 10000 lần so

với thông tin vi ba (BW thường chọn khoảng vài % tần số sóng mang(f), f của ánh

sáng cỡ 200 THz, f của vi ba cỡ 20 GHz).

Thứ hai, độ tổn hao rất thấp: Tổn hao sợi quang có thể đạt 0,2 dB/km, so với cáp

đồng trục 10 - 30 dB/km.

Thứ ba, kích thước nhỏ và gọn nhẹ: trong một dây cáp quang có nhiều sợi quang

vì kích thước của nó rất nhỏ

Thứ tư, tính chống nhiễu cao: sợi quang được cấu tạo từ thủy tinh oxit (trong đó

SiO2 là loại oxit thông dụng dùng để tạo ra sợi) nên không bị ảnh hưởng của điện từ

Trang 3

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

trường bên ngoài và các loại nhiễu từ nhà máy điện nguyên tử, sấm sét...

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

Hình1.1: Sợi cáp quang

Thứ năm, giá thành sợi quang thấp: vì thạch anh là nguyên liệu chính để sản xuất

sợi quang có sẵn trong thiên nhiên, so với kim loại thì nguồn nguyên liệu này dồi dào.

Thứ sáu, khoảng cách truyền dẫn lớn: kết hợp khả năng khuếch đại của các bộ

khuếch đại quang trên đường truyền cùng với sự suy hao thấp của cáp quang và độ

nhảy thu cao của máy thu cho phép tăng khoảng cách truyền dẫn lên cực lớn. Hiện

nay, người ta đã triển khai nhiều hệ thống cáp sợi quang vượt đại dương có khoảng

cách hàng chục ngàn km với dung lượng đến hàng ngàn Gb/s.

Thứ bảy, tốc độ cao, hiệu suất lớn: các linh kiện thu và phát quang có khả năng

điều chế tốc độ cao, kích thước nhỏ, hiệu suất biến đổi quang điện cao.

Thứ tám, khả năng truyền tín hiệu với các bước sóng khác nhau: thông tin sợi

quang cũng cho phép truyền đồng thời các tín hiệu có bước sóng khác nhau. Đặc tính

này cũng góp phần rất lớn làm tăng dung lượng truyền dẫn.

1.2.1.2. Nhược điểm

Bên cạnh những ưu điểm vượt trội như trên thì hệ thống thông tin

quang còn có những nhược điểm sau:

- Hiệu suất ghép nguồn quang vào sợi thấp.

- Không thể truyền mã lưỡng cực.

- Hàn nối sợi quang khó khăn, yêu cầu kỹ thuật cao.

- Nếu có khí ẩm, nước lọt vào trong cáp thì sợi quang chóng bị lão hóa, suy hao

Trang 4

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

tăng lên, mối hàn quang nhanh bị hỏng.

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

Những nhược điểm này phần lớn mang tính khách quan và có thể giải quyết được

bằng khoa học công nghệ. Tuy nhiên với những ưu điểm vượt trội thì hệ thống thông

tin quang ngày càng được ứng dụng rộng rãi và phát triển nhanh vì những lợi ích thiết

thực trong cuộc sống con người.

1.2.2. Mô hình tuyến truyền dẫn sợi quang hiện tại

Tuyến truyền dẫn quang tổng quát được mô tả như hình 1.2. Tín hiệu được sử

dụng để truyền qua sợi quang trong trường hợp chung thường là tín hiệu xung số. Một

tuyến quang tổng quát bao gồm các thành phần cơ bản là sợi quang, một bộ phát

quang, một bộ thu quang và các bộ khuếch đại quang.

Hình 1.2: Sơ đồ khối của hệ thống thông tin sợi quang tiêu biểu

1.2.2.1. Sợi quang

Sợi quang đóng vai trò truyền tín hiệu từ máy phát đến máy thu, trong hệ thống

thông tin sợi quang, rất ít gây méo tín hiệu so với hệ thống thông tin vi ba và vệ tinh.

Một trong những ưu điểm chủ yếu của sợi quang là tổn hao ánh sáng trong sợi rất nhỏ,

chẳng hạn khi hoạt động trong vùng bước sóng 1550 nm, tổn hao trong sợi đơn mode

SMF chỉ khoảng 0,2 dB/km. Tổn hao sợi là cơ sở để xác định khoảng lặp trong các hệ

thống thông tin sợi quang. Một thông số quan trọng khác trong sợi quang là tán sắc sợi

gây ra vấn đề giản nở xung tín hiệu tại máy thu. Nếu các xung quang bị trải rộng vượt

quá khe thời gian cho phép thì chất lượng tín hiệu sẽ bị suy giảm nghiêm trọng. Tán

sắc trở thành vấn đề quan trọng trong hệ thống sử dụng sợi quang đa mode vì các xung

bị trải rộng do ánh sáng truyền trong sợi theo các mode khác nhau với tốc độ khác

nhau. Chính vì vậy, hiện nay người ta chỉ dùng sợi đơn mode để truyền dẫn. Ở tốc độ

bít cao, trong sợi này cũng xảy ra tán sắc vật liệu do chiết xuất của sợi thay đổi theo

bước sóng ánh sáng, cũng gây nên sự giản nở xung. Để giảm ảnh hưởng này, người ta

sử dụng biện pháp bù tán sắc và dùng các nguồn phát quang có độ rộng phổ hẹp.

 Truyền dẫn quang trong sợi quang

Trang 5

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

Ánh sáng có thể truyền trong môi trường trong suốt, nhưng với vận tốc nhỏ hơn

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

vận tốc trong chân không. Tỉ số giữa vận tốc ánh sáng trong chân không và trong vật

liệu được gọi là chỉ số khúc xạ (n) và tính bởi công thức n=c/v , với c là vận tốc trong

chân không còn v là vận tốc trong vật liệu. Khi ánh sáng truyền từ một môi trường có

chỉ số khúc xạ cho trước sang một môi trường khác có chỉ số khúc xạ khác (ví dụ:

khúc xạ xảy ra), góc khúc xạ sẽ phụ thuộc vào chỉ số khúc xạ của cả 2 vật liệu cũng

như góc tới. Theo định luật Snell, ta có: nasinθa = nbsinθb với na, nb tương ứng là chỉ số

khúc xạ của môi trường tới và môi trường khúc xạ, θa ,θb là góc tới và góc khúc xạ.

Hình 1.3 minh họa cấu trúc sợi quang bao gồm một lõi được bao quanh hoàn

toàn bởi một lớp vỏ (cả 2 đều chứa thủy tinh với các chỉ số khúc xạ khác nhau). Với

sợi chiết xuất phân bậc SI, sự thay đổi chỉ số khúc xạ tại ranh giới lõi- vỏ là theo bậc.

Nếu như chỉ số khúc xạ của vỏ nhỏ hơn của lõi thì sẽ xảy ra hiện tượng phản xạ toàn

phần trong lõi và ánh sáng có thể truyền lan dọc theo sợi như trên hình 1.4. Hiện tượng

phản xạ toàn phần sẽ xảy ra với góc tới lớn hơn góc tới hạn θc, được tính bởi công

thức:

(1.1)

=

Hình 1.3:Mặt cắt sợi quang (a) đơn mode (b) đa mode (đơn vị μm)

Với nvỏ và nlõi tương ứng là chỉ số khúc xạ của vỏ và lõi. Vì vậy, để ánh sáng có

thể truyền dọc theo sợi thì góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn θc.

Trang 6

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

Hình 1.4: Truyền ánh sáng trong sợi quang bằng hiện tượng phản xạ toàn phần

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

 Suy hao trên sợi quang

Hình 1.5 : Suy hao ánh sáng trên sợi quang

Suy hao của ánh sáng khi nó truyền dọc theo sợi là một yếu tố quan trọng cần

được xem xét khi thiết kế hệ thống thông tin sợi quang vì nó đóng vai trò chủ yếu xác

định khoảng cách truyền dẫn cực đại giữa phần phát và phần thu hoặc quyết định có

đặt bộ khuếch đại trên đường truyền hay không. Cơ chế suy hao chủ yếu trên sợi là suy

hao do hấp thụ, tán xạ và bức xạ năng lượng ánh sáng. Suy hao công suất tín hiệu trên

sợi quang có chiều dài L được tính theo biểu thức :

(1.2)

Trong đó : Pin , Pout là công suất đầu vào và đàu ra của sợi quang

α: là suy hao tín hiệu trên 1 km sợi quang, α được tính theo công thức sau :

(1.3)

Một sợi quang lý tưởng không gây suy hao tín hiệu ánh sáng, nghĩa là:

Pin = Pout

Điều này có nghĩa là suy hao bằng 0. Điều này không thể có được. Trong thực

tế, sợi quang hoạt động tại bước sóng 900 nm có suy hao trung bình 3 dB/km. Nghĩa là

công suất quang giảm 50% khi truyền được 1 km và giảm 75% (tương ứng 6 dB) khi

truyền qua 2 km.

 Tán sắc trong sợi quang

Hiện tượng một xung ánh sáng bị giản rộng ra bề mặt thời gian sau một khoảng

đường truyền nhất định trong sợi cáp quang được gọi là hiện tượng tán sắc. Hình 1.6

minh họa sự giản rộng xung do tán sắc. Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang, kí hiệu là

D, có đơn vị là giây (s) được xác định bởi công thức:

Trang 7

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

(1.4)

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

Trong đó: τi , τ0 là độ rộng xung vào và xung ra. Độ tán sắc qua mỗi km sợi

được tính bằng ns/km hoặc ps/km. Đối với loại tán sắc phụ thuộc vào độ rộng phổ của

nguồn quang thì đơn vị được tính là ps/nm.km.

Hình 1.6: Minh họa sự giản nở xung do tán sắc khi ánh sáng được truyền trong sợi

Có các loại tán sắc là :

- Tán sắc mode (đối với sợi đa mode) : Xảy ra khi nhiều mode truyền đối với

cùng một tín hiệu truyền với vận tốc khác nhau trong sợi quang. Tán sắc mode không

xảy ra trong sợi đơn mode

- Tán sắc vật liệu hay là tán sắc màu : Trong môi trường tán sắc, chỉ số khúc xạ là

một hàm của bước sóng. Vì thế, nếu tín hiệu được truyền với nhiều hơn một bước

sóng, một số bước sóng sẽ truyền với vận tốc nhanh hơn các bước sóng khác. Bởi vì

không laser nào có thể tạo ra tín hiệu với một bước sóng chính xác nên tán sắc màu

xảy ra hầu hết ở các hệ thống.

- Tán sắc ống dẫn sóng : Xảy ra do sự truyền lan của các bước sóng khác nhau

phụ thuộc khác nhau vào đặc tính ống dẫn sóng như chỉ số khúc xạ và hình dạng của

vỏ, lõi. Suy hao thấp nhất tại vùng cửa sổ 1550 nm. Dựa trên các kĩ thuật tiên tiến như

dịch tán sắc, sợi quang có thể đạt mức tán sắc 0 tại bước sóng giữa 1300 nm đến 1700

nm.

Bảng 1.1: Các thông số tán sắc của một số sợi quang theo ITU

Loại sợi quang Hệ số tán sắc tại 1550 nm

SMF (ITU-T G.652) +17 ps/km.nm

DSF (ITU-T G.653) 0 ps/km.nm

Trang 8

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

NZ DSF (ITU-TUG G.655) +3 ps/km.nm

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

1.2.2.2. Bộ phát quang

 Hoạt động của Laser

Laser là cụm từ viết tắt của khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích

(LASER–Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Việc phát xạ

kích thích cho phép laser tạo ra các chùm sáng kết hợp công suất cực lớn (ánh sáng

chứa nhiều nhiều bước sóng riêng biệt).

Cơ chế của phát xạ kích thích dựa trên các mức năng lượng của nguyên tử.

Nguyên tử ở trạng thái ổn định (trạng thái nền) sẽ có các điện tử ở mức năng lượng

thấp nhất có thể. Trong mỗi nguyên tử, tồn tại các mức năng lượng rời rạc gọi là các

trạng thái. Để chuyển mức của nguyên tử từ trạng thái nền, nguyên tử phải hấp thu

năng lượng. Sau đó, nguyên tử sẽ không ổn định và có xu hướng quay trở lại trạng thái

nền bằng việc phát xạ ra photon – phân tử ánh sáng.

Hình 1.7 mô tả cấu trúc chung của một laser, bao gồm 2 gương tạo thành một

hốc, môi trường laser và thiết bị kích thích. Thiết bị kích thích sử dụng dòng điện cho

môi trường laser – được tạo từ các chất có trạng thái gần ổn định. Dòng điện sẽ kích

thích các điện tử trong môi trường laser và khi điện tử trở lại trạng thái nền nó sẽ phát

xạ ra một photon ánh sáng.

Hình 1.7: Cấu trúc chung của một Laser.

Phát xạ kích thích xảy ra khi một photon đi qua rất gần với một điện tử bị kích

thích. Photon sẽ làm cho điện tử giải phóng năng lượng và trở lại trạng thái nền. Trong

quá trình đó, điện tử sẽ giải phóng ra một photon khác có cùng hướng và tần số với

photon kích thích. Các photon mà tần số là một phần nguyên của chiều dài hốc cộng

hưởng sẽ kết hợp với nhau tạo ra ánh sáng có tần số cho trước ở ngay trong hốc. Giữa

phát xạ bình thường và phát xạ kích thích, ánh sáng tại tần số lựa chọn trước xây dựng

nên cường độ trước khi năng lượng biến mất khỏi môi trường nhanh như là khi nó

Trang 9

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

được đưa vào. Các gương hỗ trợ cho phát xạ kích thích sản sinh ra các ánh sáng cường

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

độ cao. Một trong 2 gương là phát bộ phận, do đó các photon sẽ thoát khỏi buồng dưới

dạng các chùm sáng hẹp tập trung. Bằng cách thay đổi chiều dài của buồng sẽ điều

chỉnh được tần số của ánh sáng phát xạ.

Tần số của photon phát xạ phụ thuộc vào sự thay đổi mức năng lượng của nó và

được tính theo công thức :

(1.5)

Với f là tần số photon, Eg là năng lượng vùng cấm, h là hằng số Planck (=6,626 x

10-34 J.s).

1.2.2.3. Bộ thu quang

Máy thu quang đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống thông tin quang, nó

có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu quang nhận được tại đầu ra của sợi quang thành tín

hiệu điện ban đầu. Hình 1.8 trình bày sơ đồ khối tổng quát của một máy thu quang. Nó

gồm một bộ ghép, một photodiode (bộ tách sóng quang) và một bộ giải điều chế và

mạch điện tử làm nhiệm vụ điều khiển và hồi tiếp.Bộ ghép tập trung tín hiệu quang

vào bộ tách sóng quang. Các photodiode bán dẫn được sử dụng phổ biến vì tính tương

thích của chúng với toàn bộ hệ thống quang.

Một thông số quan trọng của máy thu là độ nhảy. Nó được định nghĩa là công

suất quang trung bình nhỏ nhất đến máy thu sao cho máy thu vẫn làm việc bình

thường, nghĩa là thỏa mãn tỷ số BER cho trước ứng với tốc độ bít nhất định (đối với

máy thu số).

Mạch điện tử

Tín Tín

hiệu hiệu Bộ giải điều Bộ ghép Photodiode điện quang chế

(ra) (vào)

Hình 1.8 : Sơ đồ khối tổng quát của máy thu quang.

Có hai loại photodiode bán dẫn được sử dụng phổ biến là photodiode PIN và

photodiode thác ADP. PIN và APD là các photodiode bán dẫn có một vùng nghèo có

Trang 10

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

khả năng tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống (EHPs) khi hấp thụ photon và và chuyển đổi

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

nó thành dòng photo nhờ điện trường lớn bên trong. APD có thêm một lớp khuếch đại,

cho phép các cặp cặp điện tử - lỗ trống sơ kích thích các cặp điện tử - lỗ trống thứ cấp

cấp trong suốt quá trình ion hóa. Vì vậy, ADP có độ lợi dòng lớn hơn. Tuy nhiên nó có

tốc độ đáp ứng chậm khi độ lợi tăng cao.

1.2.2.4. Bộ khuếch đại quang

Mặc dù tín hiệu quang có thể truyền với khoảng cách lớn trước khi cần phải

khuếch đại nhưng các mạng quang vẫn tận dụng các ưu điểm của các bộ khuếch đại

quang. Việc khuếch đại toàn quang có thể khác so với khuếch đại quang điện ở chỗ nó

chỉ thực hiện việc khuếch đại công suất tín hiệu chứ không định đạng hay định thời lại

tín hiệu. Kiểu khuếch đại này gọi là 1R và là hoàn toàn trong suốt đối với dữ liệu. Các

bộ khuếch đại 1R là sự lựa chọn cho các mạng toàn quang trong tương lai. Các bộ

khuếch đại quang-điện có thể thực hiện được cả 3 chức năng (3R) là tái tạo, định dạng

và định thời. Tín hiệu quang vào bộ khuếch đại đầu tiên sẽ được chuyển đổi sang miền

điện và sau đó trước khi chuyển đi sẽ lại được đưa sang miền quang.

Các bộ khuếch đại sợi pha tạp bao gồm sợi quang được pha với một nguyên tố

(đất hiếm) có thể khuếch đại ánh sáng. Nguyên tố được sử dụng nhiều nhất là erbium,

cung cấp độ khuếch đại đối với các bước sóng 1525-1560 nm. Tại phía cuối của sợi,

một laser sẽ phát tín hiệu mạnh ở một bước sóng thấp hơn (còn gọi là bước sóng bơm)

vào sợi quang. Tín hiệu bơm sẽ kích thích các nguyên tử được bơm pha trộn lên một

mức năng lượng cao hơn. Điều này cho phép tín hiệu dữ liệu kích thích các nguyên tử

bị kích thích làm chúng giải phóng ra photon. Hầu hết các bộ khuếch đại EDFA đều

được bơm bằng laser tại bước sóng 980 hoặc 1480 nm.

Một hạn chế của khuếch đại quang là phổ khuếch đại của bộ khuếch đại quang là

không đồng đều. Do đó, nếu như tín hiệu quang nhiều bước sóng qua một loạt các bộ

khuếch đại dẫn tới công suất của các bước sóng là không như nhau.

1.3. THÔNG TIN VÔ TUYẾN

1.3.1. Giới thiệu thông tin vô tuyến

Thông tin vô tuyến sử dụng khoảng không gian làm môi trường truyền dẫn.

Phương pháp thông tin là: phía phát bức xạ các tín hiệu thông tin bằng sóng điện từ,

phía thu nhận sóng điện từ phía phát qua không gian và tách lấy tín hiệu gốc.

Thông tin vô tuyến đã có được sự phát triển nhanh chóng trong những năm qua.

Trang 11

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) dự báo, số thuê bao di động trên khắp thế giới sẽ

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

ngang với dân số toàn cầu ngay trong năm tới. Đến cuối năm 2013, tỉ lệ đăng kí thuê

bao di động chung toàn cầu sẽ lên tới 98%, trong đó tỉ lệ ở các nước phát triển là

128%, còn ở các nước đang phát triển là 89%.[2]

1.3.2. Các đặc tính của sóng vô tuyến

Tần số sử dụng cho sóng điện từ như vai trò sóng mang trong thông tin vô tuyến

được gọi riêng là "tần số vô tuyến" (RF). Tần số này chiếm một dải rất rộng từ VLF

(tần số cực thấp) tới sóng milimét.

Bảng 1.2 trình bày băng tần số vô tuyến được phân loại theo tiêu chuẩn quốc tế

hiện hành và theo cơ chế và phương thức sử dụng sóng vô tuyến.

Bảng 1.2: Phân loại, cơ chế và sử dụng sóng vô tuyến

Tần số Phân loại Cơ chế truyền Cự ly thông tin và lĩnh vực sử

băng tần sóng vô tuyến dụng

3KHz–30KHz VLF Sóng đất – điện Thông tin đạo hàng quân sự

ly khắp thế giới

30KHz–300KHz LF Sóng đất 1500Km đạo hàng vô tuyến

300KHz–3Mhz MF Sóng ngắn (cự Phát thanh cố định

ly ngắn) – sóng Hàng không, đạo hàng, liên

dài (cự ly dài) lạc nghiệp dư

3MHz–30MHz HF Sóng trời 3 - 6MHz : Thông tin liên tục

lục địa

6 - 30Mhz : Thông tin di động

Thông tin kinh doanh

và nghiệp dư, dân sự quốc tế

30MHz–300MHz VHF Sóng trời Thông tin trực thi, VHF, FM

Sóng đối lưu Đa thông tin

300MHz–3GHz UHF Sóng trời Radar, đa thông tin

Sóng đối lưu Thông tin di động

300MHz–30GHz SHF, Viba Sóng trời Thông tin vệ tinh, thông tin cố

định Radar

30GHz–300GHz EHF, Sóng trời Thông tin cho tương lai

Trang 12

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

Milimeter

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

1.3.2.1. Sự lan truyền của băng tần số thấp

Sự lan truyền của băng tần số thấp là nhờ vào sóng đất. Nó được thực hiện nhờ

nhiễu xạ sóng điện từ. Hiện tượng nhiễu xạ có mối quan hệ chặt chẽ với độ dẫn điện

và hằng số điện môi của đất trong đường lan truyền. Vì cự ly truyền sóng trên mặt biển

dài hơn so với mặt đất cho nên tần số thấp được sử dụng rộng rãi trong thông tin vô

tuyến đạo hàng. Trong trường hợp tần số cực thấp, bước sóng lớn hơn nhiều so với

chiều cao từ bề mặt trái đất lên tới tầng điện ly. Cho nên, mặt đất và tầng điện ly đóng

vai trò như hai bức tường. Nó được gọi là chế độ ống dẫn sóng mặt đất – điện ly mà

nhờ nó, có thể thông tin tới toàn thế giới. Băng tần số cực thấp được sử dụng chủ yếu

cho thông tin hàng hải và thông tin đạo hàng.

1.3.2.2. Sự lan truyền của băng tần số cao

Thông tin cự ly xa bằng băng tần số cao được thực hiện nhờ sự phản xạ của sóng

trời trên tầng điện ly. Trong phương thức thông tin này, mật độ thu sóng trời phụ thuộc

vào tần số vô tuyến và trạng thái của tầng điện ly, trạng thái này thay đổi theo thời

gian, theo ngày, theo mùa và theo điều kiện thời tiết.

1.3.3. Thực trạng của thông tin vô tuyến hiện nay

Hình 1.9: Sơ đồ chỉ ra các thành phần của mạng truy nhập vô tuyến băng hẹp

Hình 1.9 mô tả cấu hình của một hệ thống truy nhập vô tuyến băng hẹp (ví dụ

như GSM). Trạm trung tâm (CS) chịu trách nhiệm xử lý cuộc gọi và chuyển mạch,

trong khi trạm gốc (BS) hoạt động với các giao diện vô tuyến với các thiết bị di động

(MU) hoặc thiết bị đầu cuối vô tuyến (WTU). Các BSs có thể được kết nối tới CS

thông qua rất nhiều công nghệ: cáp đồng trục, sóng vi ba hoặc là liên kết sợi quang.

Khi tín hiệu tới BS, chúng sẽ được xử lý và điều chế lên sóng mang thích hợp. Bán

kính vùng phủ bởi tín hiệu phát ra từ BS chính là bán kính ô của mạng. Tất cả

Trang 13

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

MU/WTU trong ô đó sẽ chia sẻ phổ tần vô tuyến. Đối với mạng WLAN sẽ được cấu

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

hình ở trong một mô hình tương tự, với giao diện vô tuyến được gọi là Radio Access

Point (RAP).

Các tần số sóng mang thấp sẽ cho băng thông thấp. Do đó, một trong những lý do

tại sao hệ thống truy nhập vô tuyến lại cung cấp dung lượng hạn chế là bởi vì chúng

hoạt động ở các tần số thấp. GSM hoạt động ở các tần số 900 MHz hoặc 1800 MHz

với độ rộng kênh là 200 kHz. UMTS hoạt động tại các tần số xung quanh 2GHz và có

độ rộng kênh là 5 MHz. Tuy nhiên, bên cạnh đó cũng có sự cạnh tranh mạnh mẽ cho

phổ tần số giữa rất nhiều hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng các tần số sóng mang

dưới 6GHz, bao gồm quảng bá TV và radio, và các hệ thống cho các dịch vụ thông tin

quan trọng như sân bay, cảnh sát, cứu hỏa, các cá nhân sử dụng radio, wireless LANs

và rất nhiều hệ thống khác…. Các tần số thấp giúp cho đầu cuối vô tuyến chi phí thấp

(tại BS và MU/WTU).

Bảng 1.3: Phân bổ tần số đối với các hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng.

Tần số Hệ thống vô tuyến

2 GHz Hệ thống UMTS/3G

2.4 GHz IEEE 802.11 b/g WLAN

5 GHz IEEE 802.11 a WLAN

2-11 GHz IEEE 802.16 WiMAX

17/19 Indoor Wireless (Radio) LANs

28 GHz Fixed wireless access – Local point to Multipoint (LMDS)

38 GHz Fixed wireless access – Picocellular

58 GHz Indoor wireless LANs

57-64 GHz IEEE 802.15 WPAN

10-66 GHz IEEE 802.16 WiMAX

Do đó, để gia tăng dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến là sử dụng các ô có

kích thước nhỏ hơn (gọi là micro và picocells). Điều này rất khó thực hiện đối với các

sóng mang vi ba tần số thấp. Ngược lại, các sóng vô tuyến tại tần số sóng mm các suy

hao truyền lan lớn cùng với các đòi hòi về LOS sẽ tạo điều kiện để hình thành nên các

ô nhỏ.

Một cách khác để gia tăng dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến là gia tăng

Trang 14

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

tần số sóng mang, để tránh cho các tần số ở băng ISM bị nghẽn. Các tần số sóng mang

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

cao hơn sẽ đưa ra băng thông điều chế lớn hơn, song có thể dẫn tới các chi phí gia tăng

cho đầu cuối vô tuyến tại các BSs và MUs/WTUs.

Các cell nhỏ hơn sẽ giúp cho cải thiện hiệu suất trải phổ thông qua việc tái sử

dụng tần số nhiều hơn. Nhưng đồng thời kích cỡ ô nhỏ hơn đồng nghĩa với việc số

lượng lớn hơn các BSs hoặc RAPs cần thiết để bao phủ một vùng rộng lớn. Hơn thế

nữa, các mạng truyền dẫn (feeder) phải đủ lớn cần thiết để phục vụ số lượng lớn các

BSs/RAPs đó. Vì thế, trừ phi chi phí cho các BSs/RAPs, và mạng truyền dẫn giảm một

cách rõ rệt nếu không việc cài đặt hệ thống rộng và bảo trì các hệ thống kể trên sẽ là

rất lớn. Đó là lý do ra đời của công nghệ Radio-over-Fiber (RoF). Với các thành quả

trong việc đơn giản hóa các BSs thông qua việc tổng hợp các chức năng hệ thống vô

tuyến tại CS.

1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG

Qua tìm hiểu tổng quan về thông tin quang và thông tin vô tuyến ta thấy được

những ưu điểm to lớn của chúng về khả năng truyền dẫn, dung lượng, băng thông,

ngày càng đáp ứng đầy đủ các dịch vụ thông tin băng rộng, đa phương tiện, trở thành

Trang 15

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

nền tảng cho việc xây dựng các xa lộ thông tin toàn cầu.

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN TRÊN

SỢI QUANG - RoF

2.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Nội dung của chương này nhằm giới thiệu về tổng quan công nghệ truyền sóng

vô tuyến trên sợi quang, cũng như phân tích cụ thể các kỹ thuật truyền sóng vô tuyến

qua sợi quang, các kỹ thuật ghép kênh trong RoF như thế nào. Chương gồm các phần

chính sau:

 Tổng quan về Công nghệ truyền tín hiệu vô tuyến trên sợi quang RoF

 Các kỹ thuật truyền tín hiệu vô tuyến qua sợi quang

 Các kỹ thuật ghép kênh trong RoF

 Cấu hình tuyến RoF

2.2. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN TRÊN SỢI

QUANG

2.2.1. Khái niệm về công nghệ RoF

RoF là công nghệ truyền tải tín hiệu vô tuyến sử dụng đường truyền là sợi quang

nhằm phân phối tín hiệu tần số vô tuyến (RF) từ trạm đầu cuối trung tâm (CS) tới các

trạm gốc (BS) và ngược lại. Trong hệ thống thông tin băng hẹp và WLANs, các chức

năng xử lí tín hiệu RF như nâng tần, điều chế sóng mang và ghép kênh...được thực

hiện ở các trạm gốc BS và ngay sau đó được đưa tới anten. Đối với công nghệ RoF

cho phép tập trung các chức năng xử lí tín hiệu RF tại một vị trí chung (trạm đầu cuối

trung tâm CS), sau đó sử dụng sợi quang có suy hao thấp (khoảng 0,3 dB/km cho bước

sóng 1550 nm, 0,5 dB/km cho bước sóng 1310 nm) để phân phối tín hiệu RF tới các

trạm gốc BS như minh họa trong hình 2.1.

Trang 16

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

Hình 2.1: Mô hình khái niệm về hệ thống RoF

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

Nhờ công nghệ RoF các BS được đơn giản hóa đáng kể, chúng chỉ còn chức

năng chuyển đổi quang - điện và khuếch đại. Việc tập trung các chức năng xử lý tín

hiệu RF cho phép chia sẻ thiết bị, phân bổ rộng tài nguyên và đơn giản hóa vận hành,

bảo dưỡng hệ thống. Những ưu điểm này làm giảm chi phí lắp đặt và vận hành của hệ

thống, đặc biệt trong các hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng cần mật độ các trạm

gốc (BS) cao.

2.2.2. Các thành phần cơ bản của tuyến quang sử dụng công nghệ RoF

Tuyến quang sử dụng công nghệ RoF ở đây bao gồm một số thành phần cơ bản

như: MH (Mobile host), BS (Base station), CS (Central station) và sợi quang…

Di động O/E

Sợi quang

E/O Nguồn

O/E ► Di động E/O

BS

CS

MH

Hình 2.2: CS và một microcell (BS và MS) trong kiến trúc RoF

Mobile Host (MH): là các thiết bị đi động trong mạng, nó là các thiết bị đầu

cuối. Các MH có thể là điện thoại đi động, máy tính xách tay, các PDA, hay các máy

chuyên dụng khác có tích hợp chức năng truy nhập vào mạng không dây.

Base Station (BS): có nhiệm vụ phát sóng vô tuyến nhận được từ CS đến các

MH, nhận sóng vô tuyến nhận được từ MH truyền về CS. Mỗi BS sẽ phục vụ một

microcell. BS không có chức năng xử lý tín hiệu, nó chỉ đơn thuần biến đổi từ thành

phần chuyển đổi điện/quang và ngược lại để chuyển về hoặc nhận từ CS. BS gồm 2

thành phần quan trọng nhất là antenna và thành phần chuyển đổi quang điện ở tần số

RF. Tùy vào bán kính phục vụ của mỗi BS mà số lượng BS để phủ sóng một vùng là

nhiều hay ít. Bán kính phục vụ của BS rất nhỏ (vài trăm mét hoặc thấp hơn nữa chỉ vài

chục mét) và phục vụ một số lượng vài chục đến vài trăm các MH. Trong kiến trúc

mạng RoF thì BS phải rất đơn giản.

Central Station (CS): là trạm xử lý trung tâm. Tùy vào khả năng của kỹ thuật

Trang 17

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

RoF mà mỗi CS có thể phục vụ các BS ở xa hàng chục km, nên mỗi CS có thể nối đến

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

nhiều BS. Do kiến trúc mạng tập trung nên tất cả các chức năng như định tuyến, cấp

phát kênh,… đều được thực hiện và chia sẻ ở CS vì thế có thể nói CS là thành phần

quan trọng nhất trong mạng RoF (cũng giống như tổng đài trong mạng điện thoại). CS

được nối đến các tổng đài, server khác.

Sợi quang: Là môi trường truyền tải thông tin giữa các CS và BS dưới dạng ánh

sáng truyền trong sợi quang (sợi đơn mode hoặc đa mode) bằng hiện tượng phản xạ

toàn phần.

2.2.3. Kỹ thuật truyền dẫn RoF

Hình 2.3: Sử dụng phương pháp điều chế với sóng mang quang

Hình 2.3 giới thiệu một trong những cách truyền sóng vô tuyến trên sợi quang

đơn giản nhất. Đầu tiên, tín hiệu dữ liệu được điều chế lên tần số vô tuyến RF. Tín

hiệu ở tần số RF này được đưa vào điều chế (cường độ) sang dạng quang để truyền đi.

Ở đây, ta sử dụng phương pháp điều chế cường độ đơn giản nhất là điều chế trực tiếp.

Như vậy, sóng vô tuyến được điều chế lên tần số quang, sử dụng tần số quang để

truyền đi trong sợi quang. Tại phía thu, ta sử dụng phương pháp tách sóng trực tiếp,

tách thành phần sóng mang quang, đưa tín hiệu quang trở lại dạng điện dưới tần số RF.

Một bộ lọc thông thấp ở phía cuối đầu thu nhằm lọc những nhiễu gây ra trên đường

truyền.

Cường độ trường điện từ E(t) trên sợi quang được biểu diễn bởi công thức sau

đây:

(2.1)

Trong đó SRF(t) là tín hiệu cần truyền ở tần só vô tuyến chưa điều chế, ωopt là tần

Trang 18

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

số quang và φ là góc pha của tín hiệu quang.

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

2.2.4. Ưu và nhược điểm của công nghệ RoF

2.2.4.1. Ưu điểm của công nghệ

Suy hao thấp: Sử dụng sợi quang có suy hao rất thấp. Các sợi đơn mode (SMF)

làm từ thủy tinh có suy hao dưới 0,2 dB/km và 0,5 dB/km tại các cửa sổ 1550 nm và

1300 nm. Sợi quang chất dẻo (POF) công bố gần đây có suy hao từ 10-40 dB/km trong

vùng 500-1300 nm. Những suy hao này thấp hơn nhiều so với cáp đồng trục.

Băng thông rộng: Sợi quang có băng thông khổng lồ. Có ba cửa sổ truyền dẫn

chính, suy hao thấp, cụ thể là các bước sóng 850 nm, 1310 nm, 1500 nm. Với một sợi

quang đơn mode, băng thông tổng của 3 cửa sổ này vượt quá 50 THz. Tuy nhiên các

hệ thống thương mại hiện nay mới chỉ tận dụng được một phần nhỏ dung lượng này

(1,6 THz).

Không chịu ảnh hưởng của nhiễu tần số vô tuyến: Không chịu ảnh hưởng của

nhiễu điện từ. Chính đặc điểm này nên thông tin sợi quang có khả năng chống nghe

trộm, đây là một đặc tính quan trọng của thông tin sợi quang khi cung cấp an ninh và

bảo mật

Lắp đặt và bảo dưỡng dễ dàng: Trong hệ thống RoF, các thiết bị phức tạp và đắt

tiền được đặt tại trạm điều khiển trung tâm (CS), khiến cho các trạm gốc (BS) trở nên

đơn giản hơn. Điều này giúp tiết kiệm được chi phí lắp đặt, bởi vì hệ thống cần nhiều

BS, các BS đơn giản hóa sẽ dễ dàng trong công việc bảo trì và quản lí thiết bị.

Giảm công suất tiêu thụ: Giảm công suất tiêu thụ là kết quả của việc sử dụng

RAU đơn giản và thiết bị rút gọn. Hầu hết các thiết bị phức tạp đều được đặt tại các

đầu cuối tập trung. Trong một số ứng dụng các RAU hoạt động ở chế độ thụ động.

Việc giảm tiêu thụ năng lượng tại RAU rất quan trọng khi tính đến việc các RAU được

đặt ở nơi xa, những nơi chưa có mạng lưới điện.

2.2.4.2. Những nhược điểm của công nghệ

Vì RoF liên quan tới điều chế tương tự và tách sóng ánh sáng nên về cơ bản đây

là một hệ thống truyền dẫn tương tự. Do đó tín hiệu bị ảnh hưởng bởi nhiễu và méo,

đây là hạn chế trong các hệ thống thông tin tương tự cũng như hệ thống RoF. Những

ảnh hưởng này có xu hướng giới hạn là hệ số nhiễu (NF) và dải động (DR) của các

tuyến RoF.

Nguồn tạp âm trong đường truyền sợi quang tương tự bao gồm tạp âm cường độ

Trang 19

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

tương đối của laser (RIN), nhiễu pha laser, nhiễu nổ của bộ tách sóng quang, nhiễu

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

nhiệt của bộ khuếch đại, tán sắc của sợi. Trong hệ thống RoF sử dụng sợi đơn mode,

tán sắc màu giới hạn chiều dài tuyến và cũng là nguyên nhân làm tăng nhiễu pha sóng

mang RF. Trong hệ thống RoF sử dụng sợi đa mode, tán sắc mode giới hạn nghiêm

trọng băng tần và khoảng cách tuyến truyền dẫn.

2.3. CÁC KỸ THUẬT TRUYỀN TÍN HIỆU VÔ TUYẾN QUA SỢI QUANG

Tần số sử dụng cho sóng điện từ như vai trò sóng mang trong thông tin vô tuyến

được gọi riêng là "tần số vô tuyến" (RF). Tần số này chiếm một dải rất rộng từ VLF

(tần số cực thấp) tới sóng milimét.

Có 3 phương pháp để truyền dẫn tín hiệu RF trên sợi quang bằng phương pháp

điều chế cường độ là: (1) điều chế cường độ trực tiếp (2) điều chế ngoài (3) điều chế

trộn nhiều ánh sang kết hợp(heterodyne). Ở phương pháp thứ nhất, công suất nguồn

laser phát ra được điều khiển trực tiếp bởi cường độ dòng điện của tín hiệu RF. Ưu

điểm phương pháp này là đơn giản và rẻ tiền được ứng dụng rộng rãi trong các mạch

phát laser hiện nay. Tuy nhiên, do đáp ứng của laser, tần số RF điều chế bị hạn chế ở

tầm 10GHz. Có một số laser có thể hoạt động ở tầm cao hơn 40Ghz nhưng nó có giá

thành khá mắc và không phổ biến trên thị trường. Phương pháp điều chế ngoài là

phương pháp sử dụng một nguồn sáng chưa điều chế kết hợp với một bộ điều chế

cường độ nguồn quang ngoài. Ưu điểm của phương pháp này là cho phép điều chế ở

tần số cao hơn so với phương pháp điều chế trực tiếp. Tuy nhiên do suy hao chèn của

phương pháp này lớn nên hiệu suất của nó không cao. Phương pháp cuối cùng, tín hiệu

RF được điều chế sang dạng quang bằng phương pháp heterodyne, trộn các sóng ánh

sáng kết hợp để đưa tín hiệu RF lên miền quang. Hai phương pháp này sẽ được thảo

luận ở các phần sau.

2.3.1. Tạo tín hiệu RF bằng IM-DD

2.3.1.1. Giới thiệu về kỹ thuật IM- DD

Phương pháp đơn giản nhất để phân phối tín hiệu RF trong sợi quang là trực tiếp

điều chỉnh cường độ của nguồn sáng với tín hiệu RF chính nó và sau đó sử dụng tách

sóng trực tiếp tại bộ tách sóng quang để phục hồi tín hiệu RF. Có 2 cách điều chỉnh

nguồn sáng. Một cách là để cho các tín hiệu RF trực tiếp điều chỉnh dòng điện của các

diode laser. Cách thứ 2 là để vận hành ở chế độ sóng laser liên tục (CW) và sau đó sử

dụng một bộ điều biến bên ngoài điển hình như bộ điều chế MZM (Mach- Zehnder

Trang 20

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

Modulator), để điều chỉnh cường độ ánh sáng. Hai loại trên được hiển thị như trong

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

hình 2.4. Trong cả 2 trường hợp, tín hiệu điều chỉnh là tín hiệu RF thực tế được phân

phối. Các tín hiệu RF phải được điều chế với dữ liệu trước khi phát đi. Vì vậy RFoF

đòi hỏi thiết bị quang điện ở tần số cao rất tốn kém tại các thiết bị đầu cuối (headend).

Hình 2.4:Tạo tín hiệu RF bằng điều chế cường độ trực tiếp

(a) Sử dụng laser (b) Sử dụng bộ điều chế ngoài

Sau khi truyền qua sợi quang và tách sóng trực tiếp tại bộ tách sóng quang, dòng

tách quang sẽ là một bản sao của tín hiệu RF đã điều chế tại trạm trung tâm. Dòng

quang điện phải qua bộ khuếch đại phối hợp trở kháng để làm tăng biên độ điện áp

trước khi kích thích anten. Nếu tín hiệu RF được sử dụng để điều chế ở máy phát là

chính nó với dữ liệu, rồi tín hiệu RF được tách tại máy thu sẽ mang dữ liệu giống như

vậy. Các định dạng điều chế của dữ liệu được bảo toàn.

Hầu hết các hệ thống RoF, bao gồm các hệ thống RoF IM-DD đều sử dụng sợi

đơn mode. Tuy nhiên, việc sử dụng kĩ thuật IMDD RoF cho việc truyền tải các tín hiệu

RF qua sợi đa mode, bằng việc trang bị dải thông truyền dẫn thứ tự cao hơn.

2.3.1.2. Ưu điểm của kỹ thuật IM- DD

Ưu điểm thứ nhất của phương pháp này là sự đơn giản. Thứ hai, nếu như sợi tán

sắc thấp được sử dụng cùng lúc với một bộ điều chế ngoài (tuyến tính), hệ thống sẽ trở

nên tuyến tính. Do đó, tuyến quang hoạt động chỉ như một bộ khuếch đại hay bộ suy

hao và vì thế nó trong suốt với dạng điều chế của tín hiệu RF. Điều đó có nghĩa là tín

hiệu được điều chế theo biên độ (AM) hay theo các định dạng điều chế nhiều mức như

xQAM đều có thể được truyền tải, dẫn đến hệ thống cần nâng cấp rất ít thậm chí là

không cần bất kể khi nào có thay đổi trong việc điều chế tín hiệu RF diễn ra. Ghép

kênh theo sóng mang con SCM cũng có thể được sử dụng trong các hệ thống này. Hơn

Trang 21

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

nữa, không giống như điều chế trực tiếp thiên áp laser, bộ điều chế bên ngoài như

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

Zehnder Mach Modulator (MZM) có thể được điều chế với tín hiệu sóng mm gần 100

GHz, mặc dù điều này đi kèm với một chi phí rất lớn về hiệu quả năng lượng và tuyến

tính yêu cầu.

2.3.1.3. Nhược điểm của kỹ thuật IM- DD

Nhược điểm của kĩ thuật RFoF hay IM-DD là rất khó để sử dụng cho các ứng

dụng sóng mm. Bởi vì để tạo ra các tín hiệu tần số cao hơn như các sóng mm thì tín

hiệu điều chế phải ở cùng tần số cao đó. Với điều chế trực tiếp thiên áp laser, điều đó

là không thể vì lí do băng thông hạn chế và điều kiện phi tuyến, nó sẽ dẫn tới sự điều

chế qua lại sẽ tạo ra các thành phần gây nên tán sắc. Mặt khác, các bộ điều chế ngoài

như MZM có thể hỗ trợ các tần số RF cao. Tuy nhiên, chúng đòi hỏi điện áp điều

khiển cao, dẫn tới các bộ khuếch đại điều khiển sẽ rất đắt.

Một nhược điểm nữa của RFoF là sự nhạy cảm đối với tán sắc màu, gây ra sự

triệt tiêu biên độ phụ thuộc của công suất RF vào tần số hoặc chiều dài nếu như sử

dụng điều chế DSB. Ảnh hưởng của việc suy giảm biên độ có thể mô hình hóa bởi

hàm điều chế của hệ thống điều chế ngoài IM-DD, được cho bởi công thức sau:

(2.2)

Trong đó ωm là tần số điều chế, β2 là đạo hàm bậc 2 của hằng số truyền lan β (vd. β2 = d2 β/ d2 ω), Lf là chiều dài sợi và τ = t - (z/υg) với υg là vận tốc nhóm. Từ công

thức này, chiều dài lớn nhất của sợi quang trước khi tín hiệu bằng 0 đối với hệ thống

IM-DD 60 GHz hoạt động tại 1550 nm có thể bị giới hạn xuống chỉ 1.5 km. Có thể

khắc phục sự suy giảm biên độ bằng việc sử dụng các kĩ thuật tránh tán sắc như điều

chế dải đơn biên quang OSSB, phương pháp sẽ loại trừ đi việc truyền dẫn dải biên thứ

hai bằng việc lọc đi một dải biên hoặc sẽ sử dụng cả 2 bộ điều chế cường độ điều

khiển. Tất cả những điều này sẽ khiến cho hệ thống IM- DD RoF sử dụng điều chế

OSSB trở nên phức tạp hơn.

2.3.2. Tạo tín hiệu RF bằng bộ điều chế ngoài

Ở kỹ thuật IM - DD ta đã thấy băng thông bị hạn chế bởi tần số của laser diode,

để khắc phục tình trạng này ta sử dụng bộ điều chế ngoài.

Ở bộ điều chế ngoài, người ta cần một nguồn laser rất ổn định, vì vậy một vòng

hồi tiếp với photodiode (PD) được thêm vào. Vòng hồi tiếp này làm cho cường độ

Trang 22

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

laser phát ra được ổn định, đồng thời hiện tượng chirp (là hiện tượng gây lên sự trải

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

rộng của xung ánh sáng. Chirp là một trong các vấn đề của Laser DFB và nó là nhân tố

gây ra giới hạn về tốc độ truyền tín hiệu) được giảm thiểu. Tuy nhiên vòng hồi tiếp

này khiến cho hiệu suất làm việc của laser không cao vì một phần được đưa vào điều

Điều chế

Điều chế ánh sáng

Photo

ngoài

Laser Diode

diode

Sóng liên tục

Giao tiếp điện

Mạch điều khiển điện

Thông tin

khiển hồi tiếp.

Hình 2.5: Sơ đồ khối bộ điều chế ngoài

Bộ điều chế Mach-Zehnder LiNbO3

Hình 2.6: Bộ điều chế Mach-Zehnder LiNbO3

Nguyên lý hoạt động: Chiết suất của lớp lithium niobate thay đổi khi ta đặt vào

một nhánh của nó một hiệu điện thế. Nguồn sáng từ bộ điều chế được chia làm 2

nhánh khi nó đi qua ống dẫn sóng. Khi không có hiệu điện thế đặt vào, cả 2 nữa của tia

tới sẽ không bị dịch pha, tại ngõ ra chúng sẽ giao thoa với nhau và tái tạo lại dạng sóng

tới ban đầu, hình 2.7(a). Khi có một hiệu điện thế đặt vào thì một tia tới sẽ bị dịch pha 900 bởi vì chiết suất của ống dẫn sóng đó đã bị thay đổi, trong khi đó nhánh kia lại bị dịch pha -900. Kết quả là tổng hợp ở ngõ ra ống dẫn sóng cả 2 đều bị triệt tiêu như

hình 2.7(b). Do đó, ngõ ra của bộ điều chế ngoài được điều khiển bởi điện áp đặt vào

Trang 23

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

vì vậy nó có thể đạt được tốc độ điều chế ở hàng Gbps.

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

Hình 2.7: (a) không có điện áp. (b) có điện áp điều khiển.

Vậy ngõ ra của bộ điều chế Mach-Zehnder phụ thuộc vào điện áp điều khiển đặt

vào bộ điều chế. Công thức tổng quát ngõ ra của bộ điều chế theo điện áp đặt vào V

được cho bởi:

(2.3)

Trong đó : Φb phân cực pha của bộ điều chế (modulator phase bias) là :

2L2: độ chênh lệch chiều dài 2 nhánh bộ giao thoa

ΔnL = n1L1

λ : Bước sóng quang

Vb: Điện áp phân cực

(2.4)

d: độ phân ly điện cực (electrode separation)

Lm: chiều dài điện cực (electrode length)

Γ(λ): hệ số giảm của vật liệu

n(λ): chỉ số chiết suất

r(λ): hệ số điện quang (electro optic coeffcient) [5]

hay cường độ điện trường tổng hợp tại ngõ ra được cho bởi :

(2.5)

Với A là biên độ nguồn quang ngõ vào, IM là tổn hao chèn và ωopt là tần số quang

phát ra bởi nguồn laser.

Trang 24

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

Thông thường đối với một bộ điều chế Mach-Zehnder thì người ta thường quan

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

tâm thông số Vπ. Bộ điều chế MZ chế tạo bởi LiNbO3 có Vπ=6.6V.

Tín hiệu điện áp V đặt vào bộ điều chế được chia làm 2 loại, loại tín hiệu nhỏ và

loại tín hiệu lớn. Mỗi bộ điều chế có tính chất riêng của nó, tuy nhiên loại tín hiệu nhỏ

được sử dụng nhiều hơn.

2.3.3. Tạo tín hiệu RF bằng kỹ thuật điều chế trộn nhiều sóng quang (optical

heterodyne)

2.3.3.1. Giới thiệu về kỹ thuật optical heterodyne

Hầu hết các kĩ thuật RoF dựa trên nguyên lý trộn kết hợp trong bộ tách sóng

quang để tạo ra các tín hiệu RF. Các kĩ thuật này được gọi chung là kĩ thuật optical

heterodyne (hình 2.8). Trong khi bộ chuyển đổi quang điện O/E hoạt động, bộ tách

sóng quang sẽ hoạt động như một bộ trộn và do đó nó là thành phần chủ chốt trong các

hệ thống RoF dựa trên optical heterodyne.

Bộ phối hợp

Tín hiệu quang đến

ωLO

Tách sóng Xử lý điện

Dòng bit Dao động

tín hiệu nội

Hình 2.8 : Sơ đồ khối kỹ thuật tách sóng hetorodyne

Trong kỹ thuật optical heterodyne, hai hay nhiều tín hiệu quang (sóng quang)

được truyền đồng thời và chúng có tính quan hệ với nhau tới đầu thu. Và một trong số

chúng kết hợp với nhau (được gọi là tích với nhau) sẽ tạo ra được tín hiệu vô tuyến

ban đầu. Ví dụ 2 tín hiệu quang được phát ở băng tần ở chung quanh bước sóng

1550nm có khoảng cách rất nhỏ 0.5nm. Tại đầu thu, sự kết hợp 2 sóng quang này bằng

kỹ thuật optical heterodyne và tạo ra một tín hiệu điện ở tần số 60Ghz ban đầu mà ta

cần truyền đi.

2.3.3.2. Nguyên lý của optical heterodyne

Cường độ của một tín hiệu quang dưới dạng phức có dạng:

Trang 25

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

(2.6)

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

Trong đó ωs là tần số sóng mang, As là biên độ và φs là pha của tín hiệu.

Tương tự cường độ của tín hiệu tham chiếu có dạng

(2.7)

Với Aref, ωref, φref lần lượt là biên độ, tần số và pha của tín hiệu tham chiếu. Trong

trường hợp này ta giả sử rằng cả tín hiệu gốc và tín hiệu tham chiếu phân cực giống

nhau để chúng có thể kết hợp tại PD ở đầu thu. Như ta biết rằng, công suất thu được ở

PD có dạng trong đó K được gọi là hằng số tỷ lệ của PD.

Như vậy ta có:

(2.8)

2, Pref=KAref

2, ω0=ωs-ωref. Đôi khi người ta ký hiệu ω0 là ωIF

Trong đó: Ps=KAs

được gọi là tần số (góc) trung tần. Lý do nó được gọi là tần số trung tần bởi vì thông

thường ω0 và ωref rất gần nhau nên hiệu của chúng là ωIF thường nhỏ hơn khá nhiều so

với ω0 và ωref, và được gọi là tần số trung tần.

 Nếu ω0 =0 thì người ta gọi đây là kỹ thuật homodyne.

Từ công thức 2.8 ta có :

(2.9)

vì thông thường Ps<

Dòng điện sau PD có dạng

(2.10) với φs = φref.

Do Iref thường cố định nên người ta dễ dàng tách ra được thành phần tín hiệu

homodyne bằng một mạch so sánh quyết định ngưỡng:

(2.11)

Từ công thức trên ta thấy ưu điểm của phương pháp tách sóng homodyne đó là:

Trang 26

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

thứ nhất dòng điện ngõ ra lớn nhất nếu ta triệt bỏ pha của sóng tới và sóng tham chiếu,

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

nên cho tỉ số SNR cao. Thứ hai là thành phần thu được không mang thông tin tần số và

pha, chỉ phụ thuộc vào biên độ, nên nó rất phù hợp với phương pháp tách sóng trực

tiếp thường không mang thông tin về tần số và pha.

Tuy nhiên nhược điểm của nó là phải đồng bộ về pha lẫn tần số cho cả sóng tín

hiệu lẫn sóng tham chiếu. Điều này được thực hiện bằng một vòng khóa pha quang.

 Nếu ωs ≠ 0 thì đây được gọi là kỹ thuật heterodyne:

(2.12)

Khi đó thành phần heterodyne là:

(2.13)

Lúc này thành phần tín hiệu sẽ được đại diện bởi biên độ, tần số và pha của sóng

mang IF. So với kỹ thuật homodyne thì kỹ thuật này có tỉ số SNR nhỏ hơn là 3dB vì

chứa thành phần cos. Tuy nhiên kỹ thuật này không cần thiết phải có vòng khóa pha

phức tạp nên nó thực hiện đơn giản hơn so với homodyne.

Kỹ thuật heterodyne có thể được sử dụng kết hợp với các phương pháp điều chế

ASK, PSK, FSK ở phía phát và sử dụng phương pháp tách sóng trực tiếp hay tách

sóng đường bao ở phía thu bởi vì thành phần tín hiệu Ihet sau khi tách sóng mang đầy

đủ thông tin về cường độ, tần số và pha.

 Ưu điểm

2.3.3.3. Ưu điểm và nhược điểm của optical heterodyne

Bằng việc sử dụng heterodye quang, các tần số rất cao có thể được sinh ra và chỉ

bị hạn chế bởi băng thông của bộ tách sóng, đồng thời cũng tạo ra công suất tách cao

(độ lợi liên kết lớn hơn) và tỉ số CNR cao hơn. Đó là bởi vì các công suất quang của 2

trường quang góp phần vào công suất của tín hiệu sóng ngắn được tạo ra. Nếu chỉ một

trong hai sóng mang quang được điều chế với dữ liệu , độ nhạy hệ thống đối với tán

sắc màu có thể được khống chế rõ rệt. Điều này là không thể đối với các phương pháp

dựa trên điều chế cường độ trực tiếp khi cả hai dải biên quang sẽ đều được điều chế

với dữ liệu. Việc giảm các tác động của tán sắc màu là rất quan trọng trong các dạng

điều chế nhạy với nhiễu pha như là Xqam – khi tán sắc sẽ gây ra sai hụt công suất.

Một đặc tính quan trọng của optical heterodyne là nó cho phép việc điều chế dữ liệu

tần thấp tại trạm trung tâm dẫn tới không yêu cầu các thiết bị điện-quang tần số cao. Vì

Trang 27

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

thế, ngược lại với IM-DD, bộ điều chế optical heterodyne tại trạm trung tâm có thể

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

được vận hành với hoặc dữ liệu băng tần gốc hoặc tín hiệu RF tần thấp. Tại RAU, các

bộ lọc tần số sóng mm sẽ không cần thiết trong trường hợp sử dụng dữ liệu băng gốc.

Ngoài ra, optical heterodyne có khả năng tạo ra các tín hiệu với độ sâu điều chế cường

độ 100%, cùng với nhiều ưu điểm trong việc xử lý tín hiệu quang và các chức năng hệ

thống vô tuyến như điều khiển pha, lọc và chuyển đổi tần số.

 Nhược điểm

Nhược điểm chính của optical heterodyne là ảnh hưởng mãnh mẽ của nhiễu pha

laser và sự biến đổi tần số quang lên sự thuần khiết và ổn định đối với các sóng mang

RF được sinh ra. Bởi vì các laser bán dẫn có độ rộng phổ lớn nê bắt buộc phải sử dụng

các biện pháp phụ để giảm đổ rộng phổ của tín hiệu RF được sinh ra. Các biện pháp

này thường dẫn tới các hệ thống phức tạp hơn. Các kĩ thuật được sử dụng để giảm độ

nhạy nhiễu pha bao gồm các vòng khóa pha quang OPLL và khóa bơm quang OIL sẽ

được xem xét sau sau đây.

2.3.4. So sánh các kỹ thuật truyền sóng vô tuyến qua sợi quang

Bảng 2.1 : So sánh các kỹ thuật truyền dẫn và phát sóng milimet

Ưu điểm Nhược điểm Kĩ thuật

Điều chế - Điều chế: ASK, PSK, FSK - Cần bộ điều chế ngoài có tần số

cường độ trực - Là phương pháp đơn giản cao

- Cấu trúc BS rất đơn giản - Ảnh hưởng bởi tán sắc tiếp

Quang kết - Điều chế:ASK, FSK, PSK - Cấu tạo nguồn sáng phức tạp

- Hạn chế hiện tượng tán sắc hợp

sợi quang

- Ảnh hưởng của tán sắc

- Điều chế ASK, FSK, PSK - Tổn hao chèn lớn Bộ điều chế - Cấu hình đơn giản - Hiệu ứng phi tuyến ngoài - Dùng DFB Laser - Cần bộ điều chế EAM tần số cao

Các kĩ thuật phát và truyền dẫn sóng mm trên sợi quang đã khảo sát đều có

những ưu, nhược điểm riêng. Mỗi kĩ thuật có thế thích hợp tùy vào mô hình mạng

được sử dụng. Bảng 2.1 đã tổng hợp lại các ưu và nhược điểm của các kĩ thuật đã đề

cập ở trên. Bảng 2.2 ta thấy ở các băng tần mm được đưa ra có tốc độ bít rất cao lên tới

Trang 28

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

155 Mbps là có thể đạt được một cách dể dàng, điều này cho thấy công nghệ RoF với

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

bán kính Cell nhỏ lại (Picocell) sẽ cung cấp dung lượng cao hơn so với các mạng

không giây truyền thống.

Bảng 2.2: So sánh băng tần của các hệ thống sửa dụng kĩ thuật RoF

Dải RF Dải IF Tỉ lệ Bit Điều chế Chiều dài sợi

Kĩ thuật (Ghz) (Ghz) (Mbps) (km)

Quang kết 64 − 155 OQPSK 12,8

60 − 155,52 hợp DPSK 25

chế 59,6 2,6 156 Điều DPSK 50

60,0 ; 59,6 3,0 ; 2,6 156 ngoài DPSK 85

2.4. CÁC KỸ THUẬT GHÉP KÊNH TRONG ROF

2.4.1. Kỹ thuật ghép kênh sóng mang con SCM

Ghép kênh sóng mang con là một phương pháp cốt yếu, đơn giản và hiệu quả về

kinh tế đối với việc sử dụng băng thông sợi quang trong các hệ thống thông tin quang

tương tự nói chung và trong các hệ thống RoF nói riêng. Trong SCM, tín hiệu RF

(sóng mang con) được sử dụng để điều chế một sóng mang quang tại phía phát. Điều

này dẫn tới một phổ quang bao gồm của tín hiệu sóng mang quang gốc f0 cùng với hai

side-tones tại các vị trí tương ứng f0 ± fSC, trong đó fSC là tần số sóng mang con. Nếu

sóng mang con tự nó được điều chế với dữ liệu (tương tự hoặc số), thì các dải biên

được tập trung xung quang f0 ± fSC sẽ được sinh ra như trong hình 2.9 mô tả.

Hình 2.9 : Ghép kênh sóng mang con giữa tín hiệu số và tín hiệu tương tự

Để ghép rất nhiều kênh trên một sóng mang quang, các sóng mang con trước tiên

sẽ được kết hợp và được sử dụng để điều chế sóng mang quang như trong hình 2.9. Tại

Trang 29

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

phía thu, các sóng mang con sẽ được khôi phục thông qua tách sóng trực tiếp và sau đó

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

được phát xạ. Các phương pháp điều chế khác nhau có thể được sử dụng trên các sóng

mang con khác nhau. Một sóng mang con có thể mang dữ liệu số, trong khi một sóng

mang khác có thể được điều chế với một tín hiệu tương tự như lưu lượng video hoặc

thoại. Theo cách này, SCM hỗ trợ ghép kênh rất nhiều loại dữ liệu băng rộng. Điều

chế của sóng mang quang có thể đạt được bằng điều chế trực tiếp laser hoặc bằng việc

sử dụng các bộ điều chế ngoài như MZM.

Ưu điểm: Một trong nhưng ưu điểm chính của SCM là nó hỗ trợ nhiều lưu lượng

dữ liệu. Mỗi sóng mang con có thể truyền tải một tín hiệu có một cách điều chế độc

lập. Vì thế, nó có thể được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng như CATV, WLANs và

một số các ứng dụng sóng mm. Điều này là kết quả của thực tế là kĩ thuật điều chế

được sử dụng và dữ liệu được tải trên mỗi sóng mang con là độc lập với các sóng

mang được sử dụng. Hơn thế nữa, bởi vì các sóng mang là các tần số thấp, các thành

phần yêu cầu đối với hệ thống dựa trên SCM hầu hết là khả dụng. Các bộ điều chế, các

bộ trộn và các bộ khuếch đại được sử dụng trong CATV hay các hệ thống vệ tinh khác

vẫn có thể được sử dụng trong các hệ thống SCM, dẫn đến giá thành hệ thống thấp.

Nhược điểm: Nhược điểm của SCM là một kĩ thuật thông tin tương tự, nó sẽ

nhạy cảm đổi với các tác động nhiễu và méo do các hiệu ứng phi tuyến. Điều này dẫn

tới các yêu cầu tuyến tính nghiêm ngặt trong hoạt động của các thành phần, đặc biệt là

đối với các ứng dụng như video – các ứng dụng có thể đòi hỏi tỉ số sóng mang trên tạp

âm CNR>55 dB. Nhiễu cường độ tương đối RIN của nguồn sáng là nguồn chính của

nhiễu và nên được giữ càng thấp càng tốt.

2.4.2. Ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM

Hình 2.10: Sự kết hợp truyền dẫn DWDM và RoF

Trang 30

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

Ứng dụng WDM vào mạng RoF mang lại nhiều ưu điểm như đơn giản hóa mô

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

hình mạng bằng cách ấn định các bước sóng khác nhau cho mỗi BS riêng biệt, cho

phép nâng cấp mạng và các ứng dụng dễ dàng hơn và cung cấp một phương tiện quản

lý mạng đơn giản. Xem hình 2.10, là một ví dụ trong ứng dụng này cho tuyến đường

xuống. Như vậy, với mô hình dưới, thì chỉ cần một sợi quang thì kỹ thuật RoF đã có

thể phục vụ được cho rất nhiều các BS. Số lượng các BS được phục vụ là tùy thuộc

vào số lượng kênh quang có thể truyền được trên sợi quang đó.

Hình 2.11: DWDM trong RoF

a. Điều chế hai dải biên, b. Điều chế triệt một dải biên.

Tuy nhiên khó khăn trong ứng dụng kỹ thuật WDM ở đây là mỗi kênh quang

truyền một sóng mm ở tần số 60GHz. Do đó bề rộng phổ mỗi kênh quang vượt quá bề

rộng phổ một kênh WDM. Ví dụ như hình 2.11(a) sử dụng phương pháp đều chế 2

biên và 2.11(b) sử dụng phương pháp điều chế 1 biên để truyền một sóng mm ở băng

tần 60Ghz tức phải tốn một kênh 100MHz vì bề rộng phổ trong lưới ITU–T có chuẩn

là 100MHz. Ở phương pháp sử dụng điều chế 2 biên thì ta cần phải sử dụng đến một

kênh 200GHz. Như vậy có một sự lãng phí lớn băng thông trong sợi quang hoặc là các

thiết bị trong thế giới WDM cũ sẽ không tương thích được trong kỹ thuật RoF. Hiện

nay đang có nhiều nghiêng cứu trong lĩnh vực này. Để gia tăng hiệu suất sử dụng phổ,

khái niệm chèn tần số quang (optical frequency intterleaving) đã được đưa ra.

Trang 31

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

Mặt khác, mối quan hệ giữa số lượng bước sóng yêu cầu cho mỗi BS, mỗi BS

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

phải được cấp đủ số bước sóng để hoạt động song công hoàn toàn (full-duplex), nên

cần phải đến có đến 2 bước sóng, một cho chiều đường xuống và một cho chiều ngược

lại. Trong một kỹ thuật tái sử dụng bước sóng đã được đề cập đến, dựa trên kỹ thuật

khôi phục sóng mang quang dùng trong tín hiệu đường xuống và được sử dụng lại

bướt sóng đó cho chiều truyền dẫn đường lên. Như vậy chỉ tốn có 1 bước sóng cho cả

hai chiều truyền dẫn. Tăng hiệu quả sử dụng băng thông của sợi quang.

Hình 2.12: Kiến trúc vòng ring RoF dựa trên DWDM.

Hình 2.12 thể hiện một kiến trúc sóng mang đơn hướng mà nó được sử dụng để

cung cấp các dịch vụ vô tuyến băng thông rộng. Ở CS, tất cả các nguồn sáng đường

lên và đường xuống được ghép lại và khuyến đại lên truyền đi trong sợi quang. Một bộ

điều chế kênh đường xuống và giải điều chế đường lên sẽ đưa các tín hiệu quang vào

trong sợi quang được nối với nhau theo mạng ring. Tại mỗi BS, một cặp bước sóng

đường xuống – đường lên sẽ được xen rẽ thông qua một bộ xen rẽ quang OADM bởi

một bộ EAT, cả 2 thao tác diễn ra một cách đồng thời ở BS.

Kênh đường lên đã được điều chế sẽ được thêm vào trong sợi quang và truyền

vòng về CS, tại đó chúng sẽ được giải ghép và khôi phục tín hiệu. Ưu điểm chính của

mạng ring WDM P2MP này là khả năng tập trung tất cả các nguồn phát quang ở CS,

cho phép có được một cấu hình BS đơn giản.

2.5. CẤU HÌNH TUYẾN ROF

Trong phần này chúng ta sẽ xét một số cấu hình của tuyến RoF được phân loại

Trang 32

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

theo các băng tần (baserband (BB), IF, RF bands) được phát trên một tuyến quang với

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

mục tiêu của mạng RoF là làm thế nào để cấu trúc của BSs càng đơn giản và hiệu quả

là càng tốt. Ở đây các BS không có thành phần thực hiện chức năng điều chế và giải

điều chế mà chỉ có thành phần biến đổi điện-quang (E/O) và ngược lại, mà chỉ có CS

mới chứa các thành phần trên.

Trong tuyến downlink từ CS tới BS, tín hiệu mang thông tin được đưa từ mạng

chuyển mạch điện thoại công cộng (PSTN), Internet, hoặc từ một CS khác đưa vào

trong “Radio Modem ” và được điều chế lên dải tần RF, IF hay giữ nguyên ở băng tần

gốc BB, sau đó chúng mới được điều chế lên miền quang bởi Laser và truyền đi trong

sợi quang với suy hao nhỏ và nhiễu thấp tới BSs. Nếu sử dụng phương pháp điều chế

trực tiếp thì ta chỉ áp dụng cho các tín hiệu IF và BB, khi này tại BS cần có thêm thành

phần nâng tần đưa lên tần số RF. Còn nếu truyền ở tần số RF ở băng tần mm thì cần

thêm bộ điều chế ngoài EOMs (External Optical Modutators). Ở BS, tín hiệu ở băng

tần RF, IF hay BB sẽ được khôi phục lại bằng bộ tách sóng PD. Tín hiệu được khôi

phục lại sẽ được chuyển lên tần số RF nếu là các tín hiệu ở băng tần IF hoặc BB và

phát tới MHs nhờ bức xạ bởi anten ra không gian.Chức năng giải điều chế và khôi

phục thông tin sẽ được thực hiện tại các MH này.

Ở cấu hình (a), các bộ chuyển đổi tần số nằm ở CS nên cấu trúc của BS rất đơn

giản, chỉ bao gồm bộ chuyển đổi điện /quang (E/O), quang/điện(O/E). Tuy nhiên sóng

quang truyền từ CS đến BS có tần số cao (tần số RF) nên chịu ảnh hưởng của tán sắc

lớn vì thế khoảng cách từ CS đến BS ngắn, chỉ khoảng vài chục km đến vài trăm mét,

cấu hình này được gọi là “RF-over-Fiber ”.

Tương tự cho cấu hình (b) chỉ khác là tại CS tạo ra tần số trung tần IF và phát tới

BS nên được gọi là “IF-over-Fiber ” và ở (c) được gọi là “BB-over-Fiber ”. Cả hình

(b) và (c) thì cấu trúc BS tuy phức tạp hơn vì có thêm thành phần nâng tần (up-

conversion) chuyển đổi tần số BB/IF lên tần số vô tuyến RF nhưng bù lại khoảng cách

từ CS đến BS lại xa hơn so với cấu hình (a) rất nhiều.

Cấu hình (d) chỉ sử dụng cho các trạm BS sử dụng tần số thấp (IF) trong cấu hình

IF over Fiber truyền đi trên sợi quang. Với tần số thấp nên bộ điều chế ngoài không

cần được sử dụng. Điều này chỉ giúp làm giảm giá thành của CS đi nhưng BS vẫn có

cấu trúc tương đối phức tạp. Cấu hình này chỉ sử dụng truyền sóng IF với phương

Trang 33

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

pháp điều chế trực tiếp.

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

Hình 2.13: Các cấu hình trong tuyến RoF.(a) EOM, tín hiệu RF được điều chế.

(b) EOM, tín hiệu IF được điều chế.(c) EOM, tín hiệu băng tần cơ sở được điều chế.

Trang 34

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

(d) điều chế trực tiếp.

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

2.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG

Chương này đã cho chúng ta biết được rõ hơn về công nghệ truyền sóng vô tuyến

qua sợi quang (RoF), nêu lên được những ưu, nhược điểm cơ bản của nó như:

Ưu điểm: Độ suy hao thấp nên công suất giảm đi đáng kể và truyền đi với

khoảng cách xa, băng tần quang lớn nó cho phép xử lý tín hiệu với tốc độ cao mà các

hệ thống điện tử thực hiện rất khó khăn hoặc không thể thực hiện được, không chịu

ảnh hưởng của tần số vô tuyến, không dẫn điện nên có tính bảo mật. Các chức năng

xử lí tín hiệu được thực hiện tại CS do đó cấu trúc BS trở nên rất đơn giản sẽ là giảm

giá thành lắp đặt và bảo dưỡng hệ thống các sóng mm ngoài ra nó còn có khả năng

phân phối dung lượng động tránh được sự lãng phí tài nguyên do lưu lượng trên

mạng biến đổi thương xuyên.

Nhược điểm: Các hệ thống sử dụng công nghệ RoF là hệ thống truyền dẩn tín

hiệu tương tự do đó tín hiệu bị ảnh hưởng bởi nhiễu và méo, đây là hạn chế của các

hệ thống thông tin tương tự cũng như các hệ thống sử dụng công nghệ RoF.

Trong chương này còn phân tích các kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu vô tuyến RF

trên sợi quang bằng công nghệ RoF và đã đưa ra được sự so sánh đánh giá giữa các kỹ

thuật nhằm tìm ra một giải pháp tối ưu cho công nghệ RoF, ngoài ra nhờ kĩ thuật ghép

kênh phân chia theo bước sóng (WDM) khi nhu cầu tăng lên nên trong hệ thống

phân phối RoF với lưu lượng GSM, dung lượng có thể được phân bổ thêm tới một

vùng trong các thời gian cao điểm và sau đó phân bổ lại cho các vùng khác khi hết

Trang 35

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

thời gian cao điểm.

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ RoF CHO MẠNG

TRUY NHẬP KHÔNG DÂY

3.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Như đã tìm hiểu rõ về đặc điểm của sợi quang, thông tin vô tuyến, công nghệ

truyền sóng vô tuyến qua sợi quang RoF cũng như các kỹ thuật truyền tín hiệu vô

tuyến qua sợi quang ở các chương trước. Trong chương này sẽ tìm hiểu rõ về kiến trúc

mạng RoF và ứng dụng của công nghệ RoF vào mạng truy nhập không dây, gồm các

nội dung sau:

 RoF trong WLAN ở băng tần 60GHz – Giao thức MAC

 RoF trong mạng truyền thông Road Vehicle (RVC)

 RoF ứng dụng cho mạng truy nhập vô tuyến ở ngoại ô, nông thôn

3.2. ROF TRONG WLAN Ở BĂNG TẦN 60GHz – GIAO THỨC MAC

3.2.1. Giới thiệu

Việc chuyển sang băng tần mm được xem là nền tảng cho các dịch vụ băng rộng

trong tương lai vì các sóng mm có băng thông truyền dẫn lớn hơn đồng thời tránh

được sự chồng lần phổ với các băng tầng thấp hơn trong vùng sóng micromet. Trong

tất cả các băng tần mm, thì đặc biệt là băng tần 60GHz, được sử dụng rộng rãi hơn cả

bởi vì một dãi trong băng tần này được quy định sử dụng mà không cần phải đăng ký

(license-free) với các đoạn có độ rộng phổ 3Ghz. Vì vậy nó rất thích hợp cho các ứng

dụng mang tính thương mại (giá thành rẻ, thiết lập nhanh chóng,…).

Tuy nhiên như đã biết, do suy hao rất lớn trong không gian nên bán kính mỗi cell

được phục vụ là rất nhỏ. Với môi trường trong nhà (indoor), thì mỗi phòng đều được

trang bị một BS, do đó tính đơn giản và giá thành của BS sẽ là điều kiện cho sự khả thi

của hệ thống. Kỹ thuật RoF được ứng dụng cho mạng WLAN sẽ là một trong những

ứng dụng chủ yếu, bởi hiện nay nhu cầu của con người về thoại, video, truyền hình hội

nghị, trao đổi dữ liệu, truy nhập mạng không dây ngày càng tăng nên đòi hỏi cần phải

có một mạng đáp ứng được các nhu cầu trên hay nói cách khác là yêu cầu cần có một

mạng có tốc độ truyền dữ liệu cao, băng thông rộng, và dung lượng cao. Chính vì vậy

kỹ thuật truyền sóng vô tuyến qua sợi quang (RoF) kết hợp với mạng WLAN như là

một giải pháp hiệu quả để đáp ứng các nhu cầu trên, với các BS chỉ thực hiện các chức

Trang 36

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

năng đơn giản và kết nối tới CS thông qua truyền dẫn sợi quang, còn toàn bộ các chức

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

năng định tuyến và xử lý sẽ được tập trung tại CS. Tuy nhiên, bán kính phủ sóng của

các BS trong mạng WLAN là tương đối nhỏ (picocell) nên mỗi sự di chuyển của thiết

bị di động (MH) đòi hỏi có sự chuyển giao. Do sự chuyển giao thực hiện liên tục khi

MH di chuyển nên trong mạng WLAN này cần phải có một giao thức chuyển giao đơn

giản nhưng phải tin cậy ở băng tần mm.

3.2.2. Kiến trúc mạng

Yêu cầu đối với một mạng WLAN sử dụng công nghệ RoF là phải có một kiến

trúc đơn giản, giảm chi phí tại các BS, chính vì vậy mục tiêu đặt ra đối với mạng

WLAN này là phải có các đặc tính như sau: (1) song công phân chia theo tần số (FDD)

và (2) có khả năng thay đổi kênh RF động. Ví dụ trong hình 3.1 là kiến trúc mạng RoF

được ứng dụng trong mạng WLAN, sử dụng kỹ thuật điều chế sóng mang con, đáp

ứng được các đặc tính trên.

Hình 3.1: Kiến trúc mạng RoF tiêu biểu dùng trong WLAN

Với kiến trúc mạng này, dữ liệu người dùng trên tuyến xuống (từ trạm trung tâm

CS xuống thiết bị di động đầu cuối MH) trước tiên sẽ được điều chế bởi một nguồn tần

số vô tuyến RF thích hợp – được gọi là sóng mang con, tiếp theo chúng sẽ được điều

chế bởi sóng mang quang – được gọi là sóng mang chính, được lấy từ nguồn quang.

Tín hiệu này sẽ được truyền đi trên sợi quang trên tuyến xuống từ trạm trung tâm (CS)

Trang 37

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

tới các trạm cơ sở (BS), tại đây tín hiệu ánh sáng lại được chuyển đổi thành tín hiệu vô

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

tuyến và được phát đi đến các thiết bị di động đầu cuối (MH). Ngược lại đối với tuyến

lên (từ MH về CS) tín hiệu vô tuyến được thu tại BS, tại đây chúng được chuyển đổi

thành tín hiệu quang bởi nguồn điều chế quang, sau đó sẽ được truyền dẫn trên sợi

quang về trạm trung tâm (CS). Tại trạm trung tâm tín hiệu lại được bộ tách quang PD

chuyển đổi thành tín hiệu điện và sau đó nhờ bộ dao động tín hiệu được điều chế thành

dữ liệu người dùng.

Đối với kiến trúc mạng như trên, mỗi trạm trung tâm (CS) và trạm gốc (BS) sẽ

có nhiều bộ thu phát tín hiệu. Mỗi bộ thu phát tín hiệu tối thiểu phải có các thành phần

sau:

- Một nguồn quang (như là Laser diode) và một bộ điều chế ngoài (EOM) cho

tuyến xuống.

- Một bộ thu quang cho đường lên.

- Một modem để truyền và nhận dữ liệu trong miền RF.

Về cơ bản trạm gốc BS đơn giản chỉ gồm Laser đi ốt, một bộ điều chế ngoài

EOM và một bộ thu quang PD để làm nhiệm vụ thu phát tín hiệu, nó không hề có chức

năng xử lý tín hiệu. Đối với mạng WLAN mà chúng ta đang xét hoạt động ở tần số

60GHz, tần số mà các LD không thể đáp ứng được yêu cầu hoạt động của mạng. Bởi

vậy, đối với cấu trúc này ta thay thế các Laser đi ốt bằng các bộ điều chế ngoài.

3.2.3. Mô tả giao thức MAC – Giao thức bàn cờ

3.2.3.1. Gới thiệu về giao thức MAC

Giả sự mạng WLAN chúng ta thiết kế để phủ sóng cho 1 tòa nhà lớn. Do đặc tính

của mạng hoạt động ở tần số 60GHz là suy hao do đường truyền và sự che khất của tòa

nhà, bởi vậy ta phải thiết lập một kiến trúc mạng với hệ thống các picocell, mỗi

picocell xem như là một BS phủ sóng cho một khu vực có bán kính nhỏ. Do đó mỗi

phòng trong tòa nhà phải có ít nhất một BS như trong hình 3.2(a), việc đơn giản hóa và

tăng tính khả dụng cho từng BS sẽ là chìa khóa đi đến thành công của hệ thống mạng.

Giao thức MAC có những điểm nổi bật là nhanh, dễ dàng chuyển giao và hộ trợ QoS.

Giao thức này dựa trên sự chuyển mạch tần số FS, mỗi picocell liền kề sử dụng FS

trực giao để có thể giảm được nhiễu đồng kênh. Cơ chế này giúp cho các MH có thể

ổn định điều chỉnh tần số trong quá trình chuyển giao, đây là đặc điểm nổi trổi của

Trang 38

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

giao thức MAC có được.

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

3.2.3.2. Hoạt động cơ bản của giao thức MAC

Giả sử mạng hoạt động ở chế độ song công phân chia theo tần số FDD, khi đó ta

chia tổng băng thông của hệ thống (BWtotal) thành 2m kênh với m kênh cho tuyến

xuống được ký hiệu là f1, f2, …, fm và m kênh cho tuyến lên được ký hiệu là fm+1, fm+2,

…, f2m như trong hình 3.2( b). Có một điều đáng lưu ý là băng thông được cấp phát

cho tuyến lên và tuyến xuống là không giống nhau chính vì thế mạng có khả năng hộ

trợ lưu lượng bất đối xứng tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng để cấu hình cho phù hợp và

hiệu quả nhất. Hơn thế nữa, trục thời gian có thể chia thành nhiều khe thời gian bằng

nhau và m khe thời gian (ts) sẽ nhóm lại thành một khung (tf) như ta thấy trong hình

3.2 (d).

Hình 3.2: (a) Mô tả hệ thống RoF WLAN, (b) BWtotal phân bổ cho 2m kênh, (c) và (d)

Trang 39

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

mô hình FS (Frequency Switching patterns) với m=5 cho tuyến lên và tuyến xuống

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

Khi MH tham gia vào quá trình truyền dữ liệu, nó sẽ được cấp phát một cặp kênh

(fi và fi+m ,với i=1,2,3…,m) bất kì nào đó trong số 2m kênh vô tuyến mà mạng WLAN

hộ trợ và một cặp khe thời gian (tk mod m và t(k+1) mod m với k=1,2,...) cho tuyến lên và

tuyến xuống tương ứng. Chỉ sau khi nhận được dữ liệu từ kênh fi trên tuyến xuống

trong khe thời gian t(k mod m), thì khi đó MH mới có thể bắt đầu được phép truyền dẫn

các gói thông qua kênh đường lên fi+m trong khe thời gian kế tiếp t(k+1) mod m.

Mọi BS đều hộ trở tất cả các kênh, tuy nhiên mỗi BS chỉ được sử dụng ở một khe

thời gian đã được gán định sẵn, hình 3.2 là một ví dụ với m = 5. Trong tất cả các

khung thời gian, mỗi khe thời gian và mỗi kênh chỉ được sử dụng duy nhất một lần.

Các picocells liền kề nhau không được dùng lại mã FS trùng nhau nhằm tránh nhiễu

đồng kênh có thể gây ra cho hệ thống. Một mã FS chỉ được sử dụng cho một picocell

và có thể được tái sử dụng bởi một picocell khác nhưng phải đảm bảo khoảng cách

giữa chúng đủ lớn để có thể tránh nhiễu. Một vấn đề quan trọng trong giao thức này đó

chính là vấn đề đồng bộ. CS và MH phải nhận biết chính xác các khe thời gian. Tuy

nhiên, hoạt động đồng bộ của tất cả các ô được thiết lập bởi kiến trúc tập trung. Để

đồng bộ với các BS, các CS bắt đầu đo khoảng thời gian truyền tín hiệu đến BS rồi

truyền ngược về CS gọi là RTT (round-trip time). Lúc đó CS có thể ấn định được

khoảng thời gian truyền từ CS tới BS đó là RTT/2 để đồng bộ các BS.

Nguyên lý chuyển tần số trong giao thức MAC không phải là hoàn toàn xa lạ, nó

đã được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống nhảy tần, ví dụ như Bluetooth. Tuy nhiên

trong mạng WLAN giao thức MAC có một số điểm khác biệt so với hệ thống nhảy tần

truyền thống là:

- Trong hệ thống nhảy tần thì các BS và MH sẽ thay đổi tần số theo một quy luật

cho trước (gọi là mã giả ngẫu nhiên), tuy nhiên trong giao thức MAC thì chỉ có các BS

hiệu chỉnh tần số của nó còn MH vẫn giữ nguyên cặp tần số hoạt động của nó.

- Giao thức MAC được kết hợp với kiến trúc mạng tập trung ở CS nên có thể

tránh được hiện tượng nhiễu đồng kênh, tránh được việc sử dụng hai mã FS trùng nhau

trong các picocells liền kề. Do đó trong hệ thống WLAN sử dụng giao thức MAC ta

thường sử dụng khái niệm chuyển đổi tần số (frequency swiching) thay cho khái niệm

nhảy tần (frequency hopping).

3.2.3.3. Sự chuyển giao trong giao thức MAC

Trang 40

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

Một đặc điểm quan trọng của giao thức MAC chính là quá trình chuyển giao khi

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

MH di chuyển từ BS này sang BS khác là rất đơn giản và nhanh. Thời gian chuyển

giao chỉ mất tối đa (2n+1) khe thời gian. Nhờ đó giao thức này được sử dụng trong

mạng WLAN nhằm giảm bớt sự phức tạp của các MH. Một ví dụ chuyển giao khi MH

di chuyển từ BS này sang BS khác như trong hình 3.3 với m = 5.

Hình 3.3: Độ trễ chuyển giao trong giao thức MAC

Độ trễ chuyển giao (thand) được hiểu là khoảng thời gian truyền gói dữ liệu ở

tuyến lên thành công khi MH di chuyển từ Picocell cũ sang Picocell mới. Độ trễ

chuyển giao tối thiểu được cho bởi:

(3.1) 2tf + ts ≤ min( thand) ≤ 2tf + (m – 1)ts

Với tf = m.ts → (2m + 1)ts ≤ min( thand) ≤ (3m – 1)ts (3.2)

Theo công thức trên ta thấy độ trễ của quá trình chuyển giao không chỉ phụ

thuộc vào ts mà còn phụ thuộc vào số lượng kênh m.

Cơ chế chuyển giao xảy ra như sau: Đầu tiên tại picocell 1, các MH nhận tín hiệu cho

phép ở khe thời gian có tô màu đen và trả lời lại bằng tại các khe thời gian có đường

gạch chéo. Lúc này MH sẽ sử dụng cặp tần số (f1, fm+1 ) cho 2 chiều lên và xuống. Khi

MH di chuyển từ picocell 1 sang picocell 2 thì nó vẫn sử dụng cặp tần số này cho việc

truyền dữ liệu. Tất nhiên là khi qua picocell khác, do tính trực giao (được điều khiển

bởi CS) nên nó sẽ hoạt động ở khe thời gian khác nhưng vẫn không thay đổi cặp tần số

Trang 41

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

(đặc điểm của giao thức MAC). Khi MH đến vùng biên giới của cả 2 picocell thì nó

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

đồng thời nhận được cả 2 khe thời gian. MH sẽ tiếp tục liên lạc với trạm gốc BS ở

picocell 1 cho đến khi thiết lập kênh mới với picocell 2 được thiết lập. Đến khi kết nối

với picocell 1 thật sự bị mất do đi quá tầm phủ sóng thì nó mới bắt đầu yêu cầu

picocell 2 cấp cho nó một kênh để hoạt động, công việc này đã được MH chuẩn bị từ

khi nhận được tín hiệu của picoceel 2. Việc cấp băng thông cho MH sẽ được thực hiện

ở khung tiếp theo. Ta thấy thời gian chuyển giao tối thiểu là 2m +1 khe thời gian.

Hình 3.4: MH dùng cặp tần số (ƒ1,ƒm +1) khi di chuyển từ picocell 1 sang picocell 2

Khi một MH mới bắt đầu gia nhập vào mạng WLAN thì công việc đầu tiên của

nó là thực hiện đồng bộ với CS, sau đó nó chọn một kênh bất kỳ ngẫu nhiên nếu nó có

khả năng thay đổi kênh tần số hoặc là sử dụng một kênh định trước nếu nó không có

khả năng thay đổi kênh. Tiếp đó MH lắng nghe ở những khe thời gian tuyến đường

xuống. MH sẽ nhận được một tín hiệu trong khe thời gian nào đó của khung và ấn định

Trang 42

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

khe thời gian cho MH hoạt động. Sau khi nhận được gói tin ấn định khe thời gian, nó

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

sẽ bắt đầu gởi tín hiệu xác nhận ngay ở khe tiếp theo trong tuyến đường lên để gia

nhập vào mạng và bắt đầu truyền nhận dữ liệu trên kênh đã được ấn định.

3.2.3.4. Các thông số quan trọng của giao thức MAC

Trong giao thức bàn cờ mà ta đang xét, có ba thông số quan trọng mà ta cần quan

tâm trong quá trình tính toán thiết kế hệ thống đó chính là số lượng kênh m, độ rộng

khe thời gian Ls và trễ chuyển giao thand .

 Số lượng kênh (m)

Gọi băng thông tổng cộng của hệ thống là BWtotal, băng thông khoảng bảo vệ

BWg giả sử bằng không, băng thông cho mỗi kênh tuyến lên và xuống bằng nhau và

bằng BWch. Khi đó:

(3.3)

Hình 3.5: Phân bổ băng thôngs

Hơn nữa băng thông của mỗi kênh lại được chia chi sẽ cho n người sử dụng trong

hệ thống do đặc điểm của giao thức chuyển giao bàn cờ. Do đó ta có công thức:

(3.4)

Hay ( Vì m phải là một số nguyên) (3.5)

Nếu tính theo băng thông cho tuyến lên và tuyến xuống cùng với 2 khoảng băng

tần bảo vệ (BWg) thì công thức được viết lại là:

(3.6)

 Độ rộng khe thời gian (Ls)

Trang 43

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

Từ giả định rằng MH nhận được kết quả đặt trong khung tiếp theo sau khi nó gửi

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

một yêu cầu trong khung hiện tại, chúng ta sẽ có được công thức tính độ rộng tối thiểu

mỗi khe thời gian được cho như sau:

(3.7)

Trong đó:

- Ls : độ rộng khe thời gian tính bằng bits

- tprop : thời gian trễ lan truyền ở cả phần quang lẫn phần không gian tính bằng

giây (s)

- tproc : thời gian xử lý thông tin tại CS tính bằng giây( s)

- BTuser : tốc độ truyền dữ liệu của user tính bằng bit/s.

Công thức trên được xây dựng như sau: giả sử MH bắt đầu gởi cho CS một gói

thông tin, tại thời điểm t=0, thì CS sẽ nhận được gói đó vào thời điểm t = tprop, sau đó

CS sẽ ngưng truyền trong (m-1) khe thời gian sau đó truyền cho MH vào đúng khe

thời gian quy định. Trong thời gian đó, CS sẽ xử lý và truyền gói đó đến lại MH, tức là

thời gian mà MH nhận được đầy đủ gói thông tin từ CS kể từ khi có yêu cầu sẽ là

2.tprop+ tproc+ts

và khoảng thời gian này phải nhỏ hơn hoặc bằng khoảng (m-1)ts mà MH phải chờ đợi.

 Thời gian trễ chuyển giao ( thand)

Thời gian trễ chuyển giao nhỏ nhất phải thỏa mãn điều kiện:

(3.8)

m ≤ mmax, BWup = BWdown , BWg = 0 và 2.BTuser = BWup + BWdown

Khi đó đạt được khi m = mmax.

3.3. ROF TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG ROAD VEHICLE (RVC)

3.3.1. Giới thiệu

Hiện nay nhu cầu về hệ thống giao thông thông minh (TTSs) bằng cách sử các

thông tin liên lạc di động mới nhất với công nghệ cao nhất ngày càng tăng. Chính vì

vậy đòi hỏi cần phải có một mạng truyền thông di động đáp ứng được các nhu cầu hiện

nay. Và mạng truyền thông Road Vehicle đã đáp ứng được yêu cầu trên. Mạng truyền

thông Road Vehicle là cơ sở hạ tầng của mạng truyền dẫn thông minh ITS, được ứng

Trang 44

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

dụng cho các phương tiện đang di chuyển có thể truy cập vào mạng, trao đổi thông tin

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

an toàn, hỗ trợ thoại, dữ liệu, các dịch vụ đa phương tiện như video, thời gian thực khi

các MH đang di chuyển. Trên thực tế thì những mạng thông tin di động tế bào hiện

nay (như GSM, UMTS…) vẫn không thể cung cấp đủ dung lượng dữ liệu tốc độ cao

cho người sử dụng khi di chuyển với tốc độ lớn, do đó các băng tần mm trong khoảng

từ 36GHz đến 60GHz đang được xem xét, để ứng dụng cho mạng RVC này. Tuy dải

băng tần này có băng thông cao hơn so với băng tần sóng ngắn, nhưng bán kính phủ

sóng của các ô nhỏ hơn do suy hao trong không gian. Do đó đặc tính của mạng RVC

đó là số lượng BS lớn để phủ sóng hoàn toàn mọi nơi và số lượng người sử dụng lớn,

hỗ trợ tính di động. Như vậy kiến trúc mạng đặt ra hai vấn đề sau: thứ nhất mạng phải

có giá thành tốt và thứ hai tích hợp khả năng chuyển giao nhanh và đơn giản để phục

vụ một số lượng người sử dụng. Vì vậy để giải quyết các vấn đề trên ta áp dụng kỹ

thuật RoF vào mạng truyền thông RVC. Trong phần này ta sẽ tìm hiểu đến ứng dụng

này.

3.3.2. Kiến trúc mạng

Hệ thống RVC dựa trên kỹ thuật RoF được thể hiện trong hình 3.6, ở đây mỗi

một trạm trung tâm CS được kết nối tới một số lượng lớn trạm gốc BS thông qua sợi

quang, và mỗi BS ở đây là phục vụ cho mạng RVC với tầm phủ sóng rộng và các đặc

tính phù hợp mạng. Hệ thống này chỉ khảo sát các con đường một chiều, với hướng di

chuyển của MH đã được CS biết trước. Các CS được kết nối đến mạng đường trục,

mạng đường trục có thể là mạng PSTN hay là mạng Internet.

Hình 3.6: Mạng RVC dựa trên kỹ thuật RoF.

Trang 45

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

Mỗi BS sẽ phủ sóng một khu vực mà ta gọi là ô. Do đặc tính của sóng mm ở

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

băng tần 36GHz cho đến 60GHz có suy hao lớn nên bán kính của mỗi mỗi ô chỉ nằm

trong khoảng từ vài chục đến vài trăm mét và số lượng BS để phủ sóng nguyên con

đường là khá lớn. Để đạt được kiến trúc tập trung và cấu trúc BS đơn giản với tầm phủ

sóng CS lớn thì áp dụng kỹ thuật RoF ứng dụng vào mạng. Kiến trúc mạng RVC sử

dụng kỹ thuật RoF được thể hiện trong hình 3.7.

Hình 3.7: Kiến trúc mạng RVC dựa trên kỹ thuật RoF.

Dựa vào hình vẽ ta thấy cấu trúc BS rất đơn giản chỉ gồm một PD, một LD, một

EOM và có thể có một bộ khuếch đại tần số RF. BS không thực hiện bất cứ một chức

năng xử lý tín hiệu nào, nó chỉ đóng vai trò trung gian chuyển tải sóng RF giữa BS và

MH. Mỗi CS sẽ có rất nhiều bộ thu phát TRX, mỗi TRX phục vụ cho mỗi BS. TRX có

thể được trang bị bộ dao động có tần số cố định hay có thể điều chỉnh được. Với bộ

dao động RF điều chỉnh được tần số thì hệ thống có khả năng ấn định tài nguyên mềm

dẻo hơn.

3.3.3. Hoạt động cơ bản trong mạng

Giả sử 1 CS được kết nối đến N BS dựa trên kiến trúc RoF như trong hình vẽ 3.7

và số lượng BS phủ sóng hoàn toàn con đường. N BS này sẽ được chia làm S nhóm

(1 < S < N), trong đó tập hợp các BS trong một nhóm được đặt gần nhau, và tập hợp

các vùng phủ sóng của nhóm đó được gọi là vùng ô ảo - VCZ. Kĩ thuật TDMA được

Trang 46

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

sử dụng trong hệ thống với các siêu khung có kích thước cố định, bao gồm M khe thời

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

gian mà mỗi khe được ấn định cho mỗi VCZ, mỗi khe được lấp đầy một gói dữ liệu có

kích thước tối thiểu. Các kênh RF trong một VCZ là tương tự nhau, và các VCZ liền

kề không được dùng chung kênh RF để tránh hiện tượng nhiễu đồng kênh. Do đó khi

một MH đang di chuyển trong cùng VCZ thì chúng không nhất thiết phải đổi kênh tần

số. Nó chỉ phải thay đổi kênh RF khi chuyển sang VCZ khác. Mỗi siêu khung được

chia thành các khung nhỏ hơn cho các ô bên trong VCZ, mà mỗi khung bao gồm cả

kênh đường lên lẫn đường xuống. Kích thước mỗi khung có thể được thiết kế sao cho

cân đối với lưu lượng của mỗi ô.

Hình 3.8 minh họa một VCZ bao gồm 3 ô và 3 khung được ấn định cho mỗi ô

trong miền thời gian khi sử dụng cùng một kênh RF. Trong mỗi chu kỳ của khung i thì

chỉ có sự trao đổi thông tin của BS i với CS được thiết lập, BS trong một VCZ phải

được điều khiển bởi CS để tìm ra khung thời gian thích hợp. Vì vậy mỗi kênh RF được

ấn định để tránh hiện tượng nhiễu đồng kênh giữa các ô trong cùng VCZ. Nếu thiết bị

đi vào khu vực mà không có chồng lấn giữa 2 ô liên tục thì nó chỉ nhận được một

khung trong ô mà nó đang đứng. Trong khi đó, khi nó di chuyển vào vùng chồng lấn

của cả 2 ô thì nó sẽ phải “lắng nghe” cả 2 khung trong một thời gian siêu khung. Ví dụ

trong hình 3.8, V1 chỉ nhận được khung 1, trong khi đó V2 lại nhận được cả khung 1

và 2 trong siêu khung đó.

Trang 47

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

Hình 3.8: Ấn định khung trong khi di chuyển.

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

3.4. ROF ỨNG DỤNG CHO MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN Ở NGOẠI Ô,

NÔNG THÔN

3.4.1. Giới thiệu

Mạng truy nhập không dây băng thông rộng (BWAN) hiện nay đã có nhiều lựa

chọn hiệu quả hơn, tốt hơn để cung cấp cho người dùng nhiều hơn những dịch vụ băng

rộng với giá tốt hơn và có thể cạnh tranh được với các dịch vụ truy nhập có dây như

xDSL, mạng cáp đồng trục hiện nay. Vì vậy hiện nay, dần dần đã có sự thay thế các

đoạn dây cáp đồng chạy đến thuê bao bằng công nghệ wireless mà vẫn thường gọi là

“wireless last mile”. Tuy nhiên đối với “wireless last mile” thì vấn đề cần quan tâm đó

chính là ở những nới có mật độ dân số thưa thớt như vùng ngoại ô, nông thôn. Vì ở

những nơi này, gặp phải một số vấn đề: thứ nhất là kéo dây khó khăn vì số lượng dân

cư thưa thớt trải rộng trên một vùng, thứ hai là khả năng tập trung thuê bao cũng

không dễ. Vì thế ngày nay người ta đã bắt đầu quan tâm tới mạng truy nhập không dây

băng thông rộng cho các vùng dân cư thưa thớt như nông thôn, hay ngoại ô, nơi mà

cần số lượng BS lớn được lắp đặt. Vì thế, kỹ thuật RoF được ứng dụng cho mạng truy

nhập không dây ở ngoại ô, nông thôn.

3.4.2. Kiến trúc mạng

Mạng này bao gồm một CS với K TRX, N BS và các trạm thuê bao cố định, mỗi

BS kết nối với CS thông qua hai sợi quang học chô một tuyến đường lên và một tuyến

đường xuống, tương ứng với hình 3.9. Để kết nối CS đến nhiều BS thì các thiết bị

quang thụ động được sử dụng như bộ ghép hình sao hay bộ cộng/phân chia quang mà

không nhạy cảm với bước sóng. Do mạng được sử dụng ở vùng ngoại ô, nông thôn

nên khoảng cách giữa CS và các BS rất lớn.

Trên thực tế thì kiến trúc mạng này được cải tiến nhiều với những đặc tính thêm

vào và sử dụng thêm các công nghệ mới hơn. Mỗi TRX trong mạng CS bao gồm 1 RF

modem và một cặp phát thu điều chỉnh được TT-TR, có khả năng điều chỉnh tần số

trong khoảng bước sóng λi, 1 ≤ i ≤ N. Các bộ điều chỉnh TRX phải có thời gian điều

chỉnh trong khoảng vài ns. Modem trong mỗi TRX có khả năng thay đổi kênh RF để

điều chế và giải điều chế. Các BS hoạt động ở các bước sóng cố định nên nó có thể sử

dụng được các bộ lọc quang thụ động, đơn giản. Mỗi bước sóng có thể được sử dụng

như sóng mang cho cả dữ liệu truyền dẫn đường lên lẫn dữ liệu đường xuống. Vì vậy,

Trang 48

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

mạng trên thuộc loại broadcast-and-select, bất kỳ bộ TRX nào ở CS đều có thể truy

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

nhập vào bất cứ BS nào bằng cách điều chỉnh tần số thích hợp, trừ phi có sự đụng độ

giữa các bước sóng. Trong kiến trúc này, ta giả thiết K

Hình 3.9: Kiến trúc mạng RoF bao gồm K bộ thu phát (TRX) và N trạm BS.

3.4.3. Hoạt động của mạng

Hệ thống này hoạt động dựa trên chế độ TDMA/TDD. Để cho một TRX hỗ trợ

một BS thì phải biết bước sóng và kênh RF được sử dụng bởi BS đó. Về kênh RF, ta

giả sử nó được ấn định trước và cố định cho mỗi BS. CS duy trì một bảng danh sách

địa chỉ số BS, các bước sóng và kênh RF của BS đó.

Với tuyến truyền dẫn tuyến đường xuống từ CS đến BS thứ i, dữ liệu của những

người sử dụng đầu tiên được điều chế sang miền RF, sau đó được điều chế sang miền

quang tại tần số λi. Tín hiệu này được truyền qua sợi quang ở tuyến đướng xuống tới

BS i, tại đó tín hiệu quang được chuyển thành tín hiệu vô tuyến và bức xạ bởi anten

phát ra ngoài. Đối với tuyến đường lên, tín hiệu vô tuyến nhận được tại BS sẽ được

chuyển đổi thành tín hiệu quang bởi nguồn ánh sáng điều chế tại tần số cố định λi. Sau

đó nó được giải điều chế thêm một lần nữa trên miền RF để lấy ra dữ liệu của người

dùng.

Với cấu trúc mạng như trên thì không thể có quá 2 TRX cùng điều khiển một BS,

bởi vì nếu như vậy thì sẽ xảy ra hiện tượng chồng lấn tần số. Do đó, băng thông của

Trang 49

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

mạng bị giới hạn bởi tần số TRX. Để tăng dung lượng của mạng, ta có thể tăng số

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

lượng bộ TRX lên, và số lượng bộ TRX này như thế nào là tùy thuộc vào lưu lượng

mạng của vùng đó. Hiện nay, nhờ kỹ thuật ghép kênh DWDM nên mỗi CS có thể kết

nối đến hàng trăm BS mà không bị hiện tưởng thiếu bước sóng.

3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG

Trọng tâm của chương đã nêu lên được các ứng dụng của kỹ thuật RoF vào mạng

truy nhập không dây, các ứng dụng này đã đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của

người sử dụng về truy nhập mạng không dây băng thông rộng. Cụ thể ta tìm hiểu được

3 ứng dụng của kỹ thuật RoF lên 3 kiểu mạng truy nhập vô tuyến khác nhau cho

những ứng dụng khác nhau.

Trong ứng dụng đầu, ứng dụng kỹ thuật RoF vào mạng WLAN hoạt động ở băng

tần mm là một trong những ứng dụng đơn giản của kỹ thuật RoF vào mạng truy nhập

không dây. Với cự ly nhỏ, bán kính phủ sóng các picocells không cần quá lớn, giá

thành BS không phải là quá cao nên các nhược điểm của sóng mm trở nên không đáng

kể nữa, trong ứng dụng này thì các ưu điểm của kỹ thuật như kiến trúc tập trung, băng

thông rộng, tính di động cao được phát huy. So với mạng WLAN thông thường thì

mạng WLAN hoạt động ở băng tần mm có tổn hao lớn của sóng mm, số lượng BS cần

được lắp đặt sẽ nhiều hơn để phủ sóng môi trường trong nhà.

Với ứng dụng thứ hai kỹ thuật RoF trong mạng truyền thông RVC cũng hoạt

động ở băng tần mm để đạt được tốc độ cao hơn để phục vụ cho MH di chuyển ở tốc

độ cao. Vì vậy ưu điểm chính của ứng dụng này là cơ chế quản lý chuyển giao liên tục

và chính xác, nhưng bên cạnh đó nó còn có nhược điểm là bán kính ô tương đối nhỏ

nên số lượng BS để phủ sóng nguyên con đường là khá lớn.

Còn lại ứng dụng cuối cùng thì giải quyết được vấn đề tập trung thuê bao ở

những nơi dân cư thưa thớt, ngoại ô, nông thôn. Mạng này giống với kiến trúc hai

mạng trước cũng hoạt động ở băng tần mm nên dung lượng của mỗi TRX là đến hàng

trăm Mbps, trong khi đó với lưu lượng dữ liệu không lớn hơn chục Mbps thì chỉ cần

một số ít TRX đã có thể phục vụ được cho toàn bộ lưu lượng mạng, kiến trúc này có

các ưu điểm nổi bật là khả năng ấn định băng thông linh hoạt và hiệu suất sử dụng

băng thông cao, hai là dễ dàng mở rộng dung lượng hệ thống khi cần thiết. Tuy nhiên

mạng vẫn còn nhược điểm là số lượng BS được chọn là độc lập và lớn hơn số lượng số

bước sóng sẵn có do giới hạn của kỹ thuật WDM nên cần phải mở rộng hơn kỹ thuật

Trang 50

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

ghép kênh, điều này làm cho giá thành phần cứng của mạng tăng lên do độ phức tạp.

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

Tóm lại, mục đích chính của việc ứng dụng kỹ thuật RoF vào mạng truy nhập

không dây là làm sao để cấu trúc BS càng đơn giản càng tốt để có thể ứng dụng cho

thương mại và cạnh tranh với những công nghệ băng rộng khác. So với các mạng truy

nhập vô tuyến thông thường khác thì mạng ứng dụng kỹ thuật RoF có 3 đặc điểm quan

trọng đó là: trong suốt với băng thông, kỹ thuật điều chế vô tuyến và các giao thức lớp

vô tuyến; BS đơn giản, nhỏ gọn; Kiến trúc mạng tập trung các chức năng xử lý tín hiệu

tại CS.

Với những gì tìm hiểu được thì kỹ thuật RoF đang là một kỹ thuật hứa hẹn cho

Trang 51

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

các dịch vụ vô tuyến băng rộng và dung lượng lớn trong tương lai.

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA TUYẾN ROF CỤ

THỂ SỬ DỤNG SIMULINK TRONG MATLAB

4.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Ở chương này ta sẽ khảo sát một tuyến RoF cụ thể để xem nó hoạt động như thế

nào cũng như đánh giá các thông số của tuyến đó như cự ly, dung lượng, tỷ lệ bit

lỗi,…

Như ta đã biết, hiệu năng của một tuyến RoF sử dụng tần số mm, một phần bị

giới hạn bởi mức nhiễu pha khi khôi phục sóng mang ở băng tần mm. Phần nhiễu pha

này được tạo nên do 2 tần số quang trong kỹ thuật heterodyne không tương quan thực

sự với nhau. Để đạt được sự tương quan, nhiều kỹ thuật vòng khóa pha được nêu ra,

tuy chúng đều có những đặt tính tốt nhưng hầu hết chúng đều phức tạp, hay phải sử

dụng những laser đặc biệt. Điều này không có lợi cho các BS đơn giản để giảm giá

thành. Một kỹ thuật đơn giản nhưng có hiệu quả cao được đưa ra trong chương này đó

là kỹ thuật OSSBC (optical single-side-band modulation: điều chế quang đơn biên) áp

dụng vào tuyến downlink. Với kỹ thuật này, khoảng cách tần số giữa tín hiệu và sóng

mang phải ở một mức nhất định để giảm thiểu hiện tượng nhiễu pha trong sợi quang

có độ tán sắc thấp. Ở tuyến downlink trong chương này, ta sẽ phân tích kỹ thuật

OSSBC dựa trên các kỹ thuật đã được mô tả ở chương 2.

Đối với tuyến uplink, cũng đã có nhiều phương pháp được đưa ra để cải tiến nó

được chia làm 3 loại: RF over Fiber, BB over Fiber và IF over Fiber. Đối với phương

pháp thứ nhất, tuy đạt được sự đơn giản trong cấu hình và đặc biệt là tái sử dụng sóng

mang của tuyến uplink nhưng nó yêu cầu các linh kiện phức tạp hoạt động ở băng tần

mm và đặc biệt là vấn đề tán sắc cho cự ly dài. Ở phương pháp thứ hai thì chúng ta

phải giải điều chế sóng RF nhận được ở BS rồi mới truyền về CS ở băng tần gốc. Nhìn

chung 2 phương pháp trên đều là gia tăng độ phức tạp của các BS. Phương pháp IF

over Fiber, sóng mm nhận được phải được hạ tần xuống IF rồi mới truyền tiếp về CS

trên sợi quang. Do đó, ở BS cần phải có một bộ dao động ở tần số mm, điều này sẽ

làm tăng giá thành của BS lên vì bộ giao động. Có một phương pháp để làm giảm bộ

dao động này đó là “remote LO”, sóng LO được tạo ra ở đầu phát và đưa tới BS.

Ở chương này ta sẽ tìm hiểu một phương pháp truyền dẫn cụ thể của kỹ thuật

Trang 52

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

RoF cho cả tuyến uplink và downlink.

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

4.2. MỘT TUYẾN ROF CỤ THỂ

4.2.1. Cấu hình hệ thống

Hình 4.1 Mô tả cấu hình hệ thống sẽ được khảo sát trong chương này.

Hình 4.1: Cấu hình một tuyến RoF

4.2.2. Các thành phần của hệ thống

B0: Bộ lọc quang độ rộng B0.

DMOD: Bộ giải điều chế.

DFB LD: Laser DFB.

EDFA: Bộ khuếch đại quang sợi.

MOD: Bộ điều chế.

MZM: Bộ điều chế Mach-Zehnder.

PD: Photodiode tách sóng

PSK: Phương pháp điều chế số PSK khóa dịch pha.

4.2.3. Hoạt động của hệ thống

Trên tuyến downlink: DFB laser dùng để cung cấp nguồn ngoài cho 2 bộ điều

chế dual-Mach-Zehnder (gồm 4 bộ điều chế Mach Zehnder) bởi 1 coupler 3dB. Bộ

Trang 53

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

điều chế MZ ở trên dùng để để điều chế tần số LO dành cho kỹ thuật remote LO, bộ

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

điều chế dưới điều chế tín hiệu số dạng BPSK. Ngõ ra 2 bộ điều chế này được tổng

hợp bởi một coupler 3dB và được khuếch đại lên bởi một bộ EDFA. Bộ lọc băng

thông quang B0 dùng để lọc các thành phần tần số không mong muốn đồng thời giảm

hiện tượng xuyên kênh khi sử dụng phương pháp WDM. Trên sợi quang, tín hiệu sẽ bị

các tác động của sợi quang trước khi đến BS.

Tại BS, trước tiên tín hiệu quang được tách sóng bởi một photo-diode. Tại ngõ ra

của photo-diode này là tín hiệu dạng điện trong đó có 2 thành phần quan trọng được

tách ra bởi những bộ lọc thông dải. Một thành phần là dữ liệu được đưa tới bộ khuếch

đại cao tần trước khi bức xạ ra anten tới MH. Một thành phần là tần số LO dùng trong

tuyến uplink.

Tuyến uplink, tín hiệu thu được ở anten dạng điện sẽ được hạ tần bởi tần số LO

được tách ra ở photodiode. Sau khi hạ tần, tín hiệu sẽ được truyền về CS bằng FB laser

hay thậm chí LED. Tại CS, trước hết tín hiệu được khuếch đại bởi EDFA sau đó tách

sóng bởi photo-diode. Mạch lọc thông sau photo-diode để tách ra thành phần cần thiết

trước khi đưa tới bộ giải điều chế.

4.3. PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘNG CỦA TUYẾN DOWNLINK

4.3.1. Bộ điều chế “dual Mach-Zehnder” – Kỹ thuật điều chế OSSBC

Hình 4.1: Bộ điều chế ngoài “Dual Mach-Zehnder”

Trong cấu hình ở hình 4.1, ngõ ra của laser DFB được kết nối với 2 bộ điều chế

ngoài “dual Mach-Zehnder” mắc song song bởi một coupler 3dB thông thường.

Bộ điều chế ngoài “dual Mach-Zehnder” bao gồm 2 bộ điều chế Mach-

Trang 54

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

Zehnder (Mach-Zehnder Modulator - MZM) được mắc song song với nhau như hình

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

4.2. Ngõ vào của bộ điều chế được cung cấp bởi laser DFB. Hệ thống trên bao gồm 2

bộ điều chế như vậy. Một bộ cùng để cung cấp tần số dao động LO cho tuyến uplink,

vì tuyến sử dụng kỹ thuật Remote LO, và một bộ điều chế tín hiệu ở tần số RF. Để

khảo sát bộ điều chế ngoài này, ta giả sử nguồn tín hiệu điều khiển là frf như hình vẽ.

Tín hiệu tần số RF này được chia làm 2 phần để phân cực cho 2 nhánh của bộ điều chế. Ở nhánh dưới, tần số RF này được đi qua một bộ dịch pha 900. Để điều khiển

pha cho mỗi bộ MZM, nhánh trên được phân cực bởi một điện áp Vdc, còn nhánh dưới

được nối đất (grounded). Như vậy, ta có trường điện từ ngõ ra của bộ điều chế sẽ là

(phần thực):

(4.1)

Trong đó A là biên độ cường độ trường của ngõ ra, IM là tổn hao chèn của bộ điều

chế, ωopt là tần số góc của tín hiệu quang, ωrf là tần số góc tín hiệu RF, α (=Vdc/Vπ)

điện áp phân cực chuẩn hóa, β (=Vac/Vπ) điện áp điều khiển chuẩn hóa với Vac là biên

độ của tín hiệu điều khiển.

Phân tích công thức trên dưới dạng chuỗi Fourier sử dụng hàm Bessel ta được:

(4.2)

Như ở công thức trên ta thấy, cường độ trường E(t) tại ngõ ra có rất nhiều thành

phần phổ, tuy nhiên biên độ của mỗi thành phần này là khác nhau, tùy thuộc vào giá trị

β ở bên trong mỗi hàm Bessel. Đối với bộ điều chế dual-MZM thì tín hiệu điều khiển

thông thường là tín hiệu nhỏ nên người ta chọn sao cho βπ << 1, đồng thời bộ điều

chế hoạt động ở điểm cầu phương (quadrature point) có α=1/2. Khi đó các thành phần

có n ≠ 0 thì Jn(βπ)≈0 và Jn(βπ)<

bỏ qua. Vì vậy cường độ trường E(t) ngõ ra lấy 2 thành phần có thể viết lại thành:

(4.3)

Đây chính là kỹ thuật điều chế OSSBC mà ta đang đề cập.

Cường độ trường tổng hợp tại ngõ ra Cường độ trường ngõ ra của laser DFB

sẽ có dạng:

Trang 55

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

(4.4)

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

Đối với bộ điều chế phía trên, tín hiệu điều khiển là tín hiệu fLO là thành phần

sóng mang được sử dụng cho tuyến uplink trong kỹ thuật remote LO. Nhánh trên có

cường độ trường:

(4.5)

Còn ở nhánh dưới tín hiệu điều khiển là thành phần dữ liệu đã được điều chế, ở

phương pháp này, người ta chọn kỹ thuật điều chế dữ liệu là BPSK. Dữ liệu được điều

chế BPSK tại tần số fsub. Sau đó được đưa trực tiếp vào điều khiển bộ điều chế ngoài ở

nhánh dưới. Do đó, cường độ trường ở nhanh dưới có dạng:

(4.6)

Với φsig(t) là pha dữ liệu được điều chế BPSK và φsig(t)=0 cho bit “1”, φsig(t)=π

cho bit “0” trong suốt chu kỳ bit.

Vậy tổng hợp ngõ ra của cả 2 bộ điều chế sẽ là:

(4.7)

Với IC là tổn hao chèn của coupler.

Phân tích phổ của tín hiệu để hiểu rõ hơn về tín hiệu EΣ(t) ta phân tích phổ của

chúng.

Dựa vào hình 4.3 ta thấy tại ngõ ra của bộ điều chế có 3 thành phần tần số đó là

fopt, fopt+fsub (thành phần này mang dữ liệu), fopt+fLO. Dựa vào phổ biên ngõ ra của bộ

điều chế, phổ biên độ gồm các vạch tần số, và cách tách sóng ở đầu cuối ta có thể biết

được tuyến RoF này đang sử dụng kỹ thuật remote heterodyne, tức bộ dao động được

tạo ra tại đầu phát. Ta có thể sử dụng các kết quả trong kỹ thuật heterodyning khi phân

Trang 56

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

tích tuyến quang này.

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

Hình 4.3: Phổ biên độ của a. nhánh trên bộ điều chế, b. nhánh dưới bộ

điều chế, c. ngõ ra bộ điều chế

4.3.2. Tác động sợi quang

Khi truyền tín hiệu trên qua sợi quang, tất nhiên nó sẽ bị ảnh hưởng của rất nhiều

hiện tượng gây nhiễu, khiến cho tín hiệu thu được không hoàn toàn chính xác với tín

hiệu ban đầu. Tuy nhiên, 3 tác nhân ảnh hưởng lớn nhất đối với tuyến quang này đó là:

 Suy hao: do chiều dài của tuyến quang thường lớn, trên 10km, nên hiện tượng

suy hao ảnh hưởng đến tuyến quang rất quang trọng. Thứ nhất, nó làm cho tín hiệu suy

yếu, khi tín hiệu suy yếu thì ảnh hưởng của các tác nhân khác càng lớn hơn. Thứ hai

đó là do biên độ tín hiệu ngõ ra nhỏ, nên cần phải có một bộ khuếch đại RF ở đầu BS,

và tốn năng lượng cung cấp cho BS, với những BS ở gần nguồn điện thì điều này

không quang trọng, nhưng đối với những BS ở xa lưới điện, thì nguồn điện được cung

cấp từ xa lớn sẽ khiến cho dây dẫn lớn hơn, dẫn tới chi phí bỏ ra cho mạng cũng nhiều

hơn. Điều cuối cùng là do tuyến sử dụng kỹ thuật remote hetorodying cho tuyến

downlink và remote LO cho tuyến uplink, nên suy hao này làm cho tín hiệu tách tại BS

có biên độ càng nhỏ. (Xem phần 4.3.3).

 Tán sắc: hiện tượng tán sắc là hiện tượng phổ biến nhất khi truyền tín hiệu

quang trên sợi quang. Hiện tượng tán sắc xảy ra càng nghiêm trọng hơn khi tuyến

quang này sử dụng kỹ thuật RoF với sóng RF được điều chế lên miền quang. Để khắc

phục hiện tượng này, người ta sử dụng laser DFB có bề rộng phổ rất nhỏ tính bằng

Trang 57

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

MHz, hiện nay đã có những laser DFB có bề rộng phổ là 1MHz, còn loại 75MHz và

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

150MHz đã trở nên phổ biến hơn. Sợi quang cũng góp phần giảm ảnh hưởng của hiện

tượng tán sắc, nhiều loại sợi quang mới được phát triển để hạn chế vấn đề này.

 Nhiễu pha: cũng là 1 trong những hiện tượng ảnh hưởng đến tuyến quang này

nhiều nhất. Hiện tượng nhiễu pha có giá trị trung bình tỷ lệ với bình phương băng

thông tín hiệu. Với phương pháp trên ở tuyến uplink thì ta thấy bề rộng phổ là rất lớn,

chiếm một khoảng fLO. Với fLO có tần số 60GHz thì bề rộng phổ lên đến 0.5nm. Kỹ

thuật này cũng cho ta thấy một hạn chế là ta không thể áp dụng phương pháp DWDM

thông thường được.

4.3.3. Tách sóng tại BS – các sản phẩm RF

Thành phần tín hiệu truyền đến BS bao gồm 3 tần số, phương trình cường độ

trường nhận được tại PD của BS được biểu diễn như sau:

(4.8)

Với IF là suy hao chèn của bộ EDFA, G là độ lợi của EDFA, L là suy hao của sợi

quang.

Giả sử thành phần nhiễu không đáng kể. Như vậy sau khi tách sóng, ta sẽ thu

được sản phẩm ở miền tần số RF dạng tín hiệu điện. Phương trình tách sóng có dạng:

(4.9)

Do EPD(t) bao gồm 3 thành phần tần số, nên sản phẩm sau khi tách sóng sẽ bao

gồm 3 thành phần tần số. Bằng bộ lọc thích hợp, người ta tách ra 2 thành phần sóng

đáng quan tâm nhất. Sản phẩm RF thứ nhất đó là tín hiệu RF được đưa tới ănten và

bức xạ tới BS. Đó là sản phẩm của 2 thành phần tần số fopt+fLO và fopt+fsub:

(4.10)

Với η hiệu suất lượng tử của PD, e là electro charge, và hfopt là năng lượng

photon và tín hiệu isignal(t) này được đưa tới ănten truyền tới MH. Đây chính là kỹ thuật

Trang 58

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

tách sóng heterodyne, nhờ kỹ thuật này mà tín hiệu dữ liệu được đưa lên miền tần số

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

RF có tần số sóng mang fLO-fsub mà không cần phải có bộ điều chế nâng tần RF. Đây

cũng là một điểm hay của kỹ thuật này.

Dựa vào công thức ta thấy ảnh hưởng của suy hao lên tín hiệu ngõ ra. Nếu biên

lần nếu sử dụng phương pháp độ của tần số LO tăng 2 lần thì isignal(t) chỉ tăng lên

remote heterodyning, nhưng nếu sóng LO được tạo ra tại BS thì biên độ của isignal(t) lại

tăng lên 2 lần.

Sản phẩm thứ 2 đó là thành phần tần số LO để sử dụng kỹ thuật hạ tần cho tuyến

downlink. Đó là sản phẩm của 2 thành phần tần số fopt và thành phần tần số fopt+fLO.

Tín hiệu tách được có dạng:

(4.11)

4.4. TUYẾN UPLINK

Tuyến uplink sử dụng kỹ thuật hạ tần để đưa tín hiệu tần số RF xuống tần số IF

(kỹ thuật IF over Fiber) với tín hiệu LO được lấy ra từ thành phần truyền dẫn tuyến

uplink. Do sóng quang mang tần số IF nên bề rộng phổ nhỏ hơn và ít bị tác động của

hiện tượng tán sắc hơn. Vì vậy tuyến downlink sử dụng kỹ thuật này chỉ cần trang bị

một LD FB hay thậm chí là một LED có bề rộng phổ lớn mà vẫn bảo đảm tín hiệu

được truyền về một cách đầy đủ.

Trước khi về tới CS, tín hiệu được khuếch đại bởi bộ EDFA trước khi đi vào bộ

tách sóng, sau đó qua mạch lọc thông dải để lấy thành phần cần thiết để giải điều chế

tại RF modem.

Như vậy với kỹ thuật remote LO mà ở BS ta không cần bộ dao động LO, đồng

thời thành phần phát cũng chỉ cần sử dụng 1 LD FB hay thậm chí là 1 LED cũng bảo

đảm yêu cầu. Cấu hình đã cho ta một cấu trúc BS khá đơn giản, chỉ bao gồm các thành

phần chuyển đổi điện/quang, ngược lại và lọc thông chứ không có chức năng xử lý nào

được thực hiện tại BS

4.5. MÔ PHỎNG TUYẾN DOWNLINK

4.5.1. Giới thiệu

Trong phần này, ta sẽ mô phỏng hoạt động tuyến RoF như đã được mô tả ở hình

4.1 sử dụng chương trình Simulink của Matlab.

Simulink là một thuật ngữ mô phỏng dễ nhớ được ghép bởi hai từ Simulation và

Trang 59

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

Link. Simulink cho phép mô tả hệ thống tuyến tính, hệ phi tuyến, các mô hình trong

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

miền thời gian liên tục hay gián đoạn, hoặc một hệ gồm cả gián đoạn và liên tục.

Simulink là một phần mềm mở rộng của Matlab dùng để mô hình hóa, mô phỏng và

phân tích một hệ thống động. Thông thường dùng để thiết kế một hệ thống điều khiển,

thiết kế DSP, hệ thống thông tin và các ứng dụng mô phỏng khác…

Để đơn giản ta chỉ mô phỏng hoạt động của tuyến downlink để so sánh với các

công thức đã được nêu ra ở phần 4.3. Các tác động của nhiễu sẽ không được xét trong

quá trình mô phỏng.

Chương trình mô phỏng sẽ vẽ ra dạng đồ thị về dạng của tín hiệu và phân tích

phổ của nó.

4.5.2. Mô hình hóa và các thông số

Hình 4.4: Sơ đồ mô phỏng tuyến downlink

Dựa vào công thức (4.5) và (4.6)

(4.5)→

Trang 60

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

(4.6)→

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

Là các kết quả của ngõ ra bộ điều chế ngoài dual-MZM. Ta có thể mô phỏng 2

bộ điều chế như 2 khối upper và lower trong hình 4.4. Một khối cộng tín hiệu được đặt

ở phía sau để kết hợp 2 ngõ ra bộ điều chế này, để phân tích tuyến ta có thể sử dụng

các kết quả của heterodyne. Về phía BS, tuyến downlink chỉ đơn giản là một

photodiode được biểu diễn bởi công thức (4.9) nên được mô phỏng bởi một khối lấy

module như hình 4.4. Hai khối Scope và PSD dùng để phân tích hình dạng tín hiệu thu

được. Mô hình này đã đơn giản hóa các thành phần nhiễu, bộ khuếch đại EDFA, suy

hao sợi quang, và một số thành phần khác vì ta chỉ cần quan sát dạng của tín hiệu và

phân tích phổ của thành phần ra.

Với mô hình như trên, ta lần lượt chọn các thông số trong công thức (4.5) và

(4.6) như sau:

 c=3×108 (m/s) là vận tốc ánh sáng trong chân không.  λ=1550nm nên ωopt = 2×π×c/λ=1.21×1015 (rad/s)

 βLO=βsub=0.4  Popt = 1mW = 10-3W công suất quang ngõ ra.

 fLO=60GHz

 fsub=2.5GHz

 Data: bit 1 với φsignal=0 & bit 0 với φsignal=π.

Các thông số này được chạy trong file parameterRoF.m để cung cấp cho phần

mô phỏng của simulink, đồng thời ta có thể thay đổi được thông số một cách dễ dàng.

Ngoài ra còn có các thông số của chương trình mô phỏng, các thông số này có

thể thay đổi tùy biến để được các giá trị quan sát.

4.5.3. Các kết quả mô phỏng và phân tích

Kết quả thứ 1: Phổ tín hiệu tại BS

Bộ điều chế ngoài của chúng ta bao gồm 2 bộ dual-MZM điều chế 2 dạng sóng

quang riêng biệt ở tần số RF. Bây giờ nếu ta chỉ sử dụng mỗi bộ điều chế dual-MZM

một cách riêng biệt để truyền tới BS thì sẽ nhận được các kết quả như hình 4.5 cho bộ

điều chế trên và hình 4.6 cho bộ điều chế dưới.

Ở hình 4.5 cho ta thấy nếu chỉ truyền nhánh trên thì ở BS ta chỉ thu được sóng RF có tần số 60GHz tương ứng với tần số góc là 3.7×1011(rad/s) tương ứng với sóng

LO.

Trang 61

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

Ở hình 4.6 cho ta thấy nếu chỉ truyền nhánh dưới thì ở BS ta chỉ thu được sóng

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

RF có tần số 2.5GHz. Đây chính là dữ liệu của chúng ta được điều chế ở tần số

2.5GHz, nhưng đó không phải là cái mà ta cần để bức xạ tại Anten BS vì tín hiệu bức

xạ cần phải điều tần lên ở 60GHz.

Hình 4.5: Sản phẩm tại BS của bộ điều chế nhánh trên.

Hình 4.6: Sản phẩm tại BS của bộ điều chế nhánh dưới.

Tuy nhiên khi ta kết hợp 2 bộ điều chế lại truyền đi thì tại BS còn có thêm 1 sản

phẩm nữa ở tần số (60-2.5) GHz như hình 4.7. Đó là dữ liệu cần truyền đã được điều

chế lên tần số vô tuyến. Như vậy kỹ thuật này (kết quả của heterodyne) đã mang lại

cho chúng ta sản phẩn cần thiết trong điều chế mà không nhất thiết phải có bộ nhân

tần. Đây chính là điểm hay của kỹ thuật mà ta đã giải thích trong 4.3

Trang 62

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

Hình 4.7: Sản phẩm ngõ ra của tuyến downlink.

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

Phân tích

Dựa vào công thức (4.10) và (4.11) là 2 sản phẩm của BS sẽ được bộ lọc thông

dải tách ra. Ta so sánh sản phẩm này về mặt biên độ:

(4.12)

Do J0(x) lớn hơn J1(x) nhiều với x nhỏ. Nên biên độ tín hiệu iLO sẽ lớn hơn isignal

nhiều lần. Vì vậy ta cần thiết kế bộ lọc thật tốt sao cho chúng không bị nhiễu lên nhau.

Kết quả thứ 2: Quan sát tín hiệu dữ liệu.

Bây giờ ở BS ta đặt thêm một mạch lọc thông dải ở tần số từ 57 đến 58GHz như

hình vẽ 4.8 để quan sát tín hiệu và phổ của tín hiệu ngõ ra. Hình 4.9 là phổ của ngõ ra.

Hình 4.8: BS với bộ lọc thông dải để lấy tín hiệu dữ liệu ở tần số RF

57.5GHz

Hình 4.9: Phổ tín hiệu tại BS

Như hình 4.9 ta thấy phổ của ngõ ra bộ lọc thông dải chỉ có tín hiệu dữ liệu cần

truyền. Thành phần này sẽ được bức xạ trực tiếp đến từ anten đến các MH. Hình 4.10

Trang 63

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

là hình dáng của tín hiệu với bit 1 (tức chưa có dữ liệu với pha bằng 0).

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

Hình 4.2: Hình dáng tín hiệu với bit 1.

Tiếp theo ta cải tiến mô hình bộ phát với kiểu điều chế BPSK như hình 4.11.

Hình 4.3: Bộ điều chế có dữ liệu

Thành phần độ Sin & Cos thứ 3 đại diện cho bit 1 với pha bằng 0, còn thành

phần Sin và cos thứ 4 đại diện cho bit 0 với pha bằng π. Bộ phát xung có tốc độ trên

thực tế là tốc độ bit điều khiển 2 thành phần dưới, nhưng để dễ quan sát cũng như thời

gian mô phỏng ta chọn tốc độ một cách thích hợp.

Trang 64

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

Các kết quả về hình dáng tín hiệu và phổ được diễn tả như hình 4.12 và 4.13.

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

Hình 4.4: Hình dáng tín hiệu dữ liệu với các bit 1-0 lần lượt (isignal).

Hình 4.5: Phổ của tín hiệu dữ liệu.

Dựa vào hình trên ta thấy phổ tín hiệu vẫn không thay đổi do phương pháp điều

chế là BPSK, chỉ gồm một vạch phổ tại 57.5GHz. Tuy nhiên khi có dữ liệu thì hình dáng của tín hiệu khác với ban đầu. Thời gian của một bit trong mô phỏng là 2×10-9

giây, như trong hình vẽ 4.12 thì khoảng thời gian mỗi bít vẫn như cũ nhưng có bị trễ một thời gian là 1.7×10-9 giây, đó là do tác động của bộ lọc thông dải tác động đến độ

trễ.

4.6. PHÂN TÍCH BER CỦA TUYẾN

Thành phần gây nhiễu nhiều nhất đối với sợi quang đó là hiện tượng tán sắc, suy

hao và nhiễu pha. Nó tác động tới tín hiệu làm suy giảm CNR của tín hiệu khi đến đầu

thu. Các thành phần fLO và fsub có thể phân tích theo kỹ thuật heterodyne, thì tác động

của tán sắc, suy vào và nhiễu pha trên thành phần của sợi quang sẽ làm giảm SNR đi

một lượng so với ở điểm phát là:

Trang 65

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

(4.13)

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

Với Δv là bề rộng 3dB ngõ ra của laser, D là tán sắc của sợi quang, Lf là suy hao.

Mặc khác, giả sử nhiễu pha có phân bố Guassian thì variance của nó là:

(4.14)

Với Bn là băng thông nhiễu tương đương của bộ thu sóng mm. Sau khi giải điều

chế BPSK thì BER của tín hiệu sẽ là:

(4.15)

Với CNRx là CNR của tín hiệu tại đầu thu bao gồm cả mất mát tính bởi công

thức (4.11). Như vậy BER của hệ thống có thể được tính bởi công thức:

(4.16)

Công thức (4.16) công thức xấp xỉ BER cho toàn tuyến uplink.

4.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG

Với những kết quả thu được, ta thấy rằng tuyến sử dụng kỹ thuật OSSBC bằng

bộ điều chế ngoài và kỹ thuật tách sóng heterodyne nên đã có được một cấu hình BS

khá đơn giản với những linh kiện rẻ tiền, giảm giá thành cho BS, đưa nó đến gần với

Trang 66

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

thực tế hơn.

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

KẾT LUẬN

Qua đề tài trên đã cho ta một cái nhìn tổng quan về kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu

vô tuyến qua sợi quang, một kỹ thuật mới ra đời nhằm khắc phục cho những bất cập

mà thông tin vô tuyến hiện nay đang mắc phải. Thông qua đề tài này chúng ta có thể

nắm bắt được các thành phần cơ bản cấu thành nên một tuyến RoF, tìm hiểu các kỹ

thuật để đưa ra một cấu hình tốt nhất cho tuyến.

Dùng giao diện Simulink của Matlab để mô phỏng tuyến xuống từ trạm CS tới

BS. Với những thiết bị có sẵn cùng với khả năng thay đổi dễ dàng các thông số phần

mềm này đã cho ta một cái nhìn cụ thể và trực quan về một tuyến RoF. Qua đó ta có

thể so sánh đánh giá và thấy được ưu nhược điểm của hệ thống, từ đó ta sẽ có được

Trang 67

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

giải pháp để nâng cao chất lượng tín hiệu khi triển khai một tuyến cụ thể.

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Về hướng phát triển của đề tài cũng cho nhiều hướng để làm đề tài hoàn chỉnh và

có nội dung phong phú hơn:

(1) Tìm hiểu sâu hơn về các kỹ thuật đang được ứng dụng hay tìm hiểu các kỹ

thuật mới được ứng dụng trong kỹ thuật RoF được đề cập trong các tài liệu.

(2) Tìm hiểu các cấu hình của mạng có sử dụng kỹ thuật RoF. Mỗi cấu hình như

vậy đều có những ưu nhược điểm riêng và ứng dụng phù hợp cho một số loại mạng.

Các kết quả mô phỏng được sẽ chứng minh cho kỹ thuật đó.

(3) Hoặc tìm hiểu những ứng dụng của kỹ thuật RoF vào các mạng truy nhập

khác hoặc có thể tìm hiểu sâu hơn về các kỹ thuật trong một mạng truy nhập để bổ

sung cho các ứng dụng của mạng truy nhập. Và khi một kỹ thuật có nhiều ứng dụng

trong thực tế thì ý nghĩa của kỹ thuật đó càng lớn.

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô đã để thời gian đọc những vấn

Trang 68

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

đề được trình bày trong đồ án của em.

Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1 ] Tiến sĩ Nguyễn Văn Tuấn, “ Thông tin sợi quang”, Nhà xuất bản giáo dục

Việt Nam 2010

[2] website:http://www.nxbgd.com.vn/2013/03/nam-2014-so-thue-bao-di-dong-

bang-dan-so-the-gioi/

[3] Hong bong kim, “Radio over Fiber based Network Architecture” , Berlin,

2005

[4] Radio over Fiber Technology for the next Generation, Al-Raweshidy

[5] Anthony Ng’oma, “ Radio-over-Fiber Technology for Broadband Wireless

Communication Systems”, 2005

[6] International Telecommunication Union, “ World Telecommunication/ ICT

Development Report 2010 Monitering the wsis targets …”

[7] Website, http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11

[8] ‘Radio over Fiber: Application, basic design and impact on resource

management’, István Frigyes. Budapest University of Technology and

Trang 69

Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C

Economics.