Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu công nghệ truyền dẫn lai ghép FSO, MMW và sợi quang cho mạng backhaul di động

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:148

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu công nghệ truyền dẫn lai ghép FSO, MMW và sợi quang cho mạng backhaul di động" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về mạng backhaul di động; Công nghệ truyền dẫn backhaul lai ghép MMW/FSO; Các giải pháp truyền dẫn backhaul lai ghép dựa trên mạng quang thụ động; Giải pháp truyền dẫn backhaul lai ghép WDM-PON/FSO.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu công nghệ truyền dẫn lai ghép FSO, MMW và sợi quang cho mạng backhaul di động

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG PHẠM VŨ MINH TÚ NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN LAI GHÉP FSO, MMW VÀ SỢI QUANG CHO MẠNG BACKHAUL DI ĐỘNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2023
BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG PHẠM VŨ MINH TÚ NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN LAI GHÉP FSO, MMW VÀ SỢI QUANG CHO MẠNG BACKHAUL DI ĐỘNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG MÃ SỐ: 9.52.02.08 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. ĐẶNG THẾ NGỌC 2. PGS.TS. VŨ VĂN SAN Hà Nội – 2023
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của chính mình. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình nào khác. Các kết quả được viết chung với các tác giả khác đều được các tác giả đó đồng ý trước khi đưa vào luận án. Tất cả các kế thừa của các tác giả khác đã được trích dẫn. Nghiên cứu sinh Phạm Vũ Minh Tú
ii LỜI CẢM ƠN Sau bốn năm tập trung nghiên cứu, nghiên cứu sinh đã đạt được những kết quả nhất định trong đề tài nghiên cứu của mình. Những kết quả đạt được đó không chỉ là sự cố gắng, nỗ lực của nghiên cứu sinh, mà còn có sự hỗ trợ và giúp đỡ của các thầy hướng dẫn, nhà trường và gia đình. Nghiên cứu sinh muốn bày tỏ tình cảm của mình đến với họ. Đầu tiên, nghiên cứu sinh gửi lời biết ơn sâu sắc tới các thầy hướng dẫn, PGS.TS. Đặng Thế Ngọc và PGS.TS. Vũ Văn San đã định hướng nghiên cứu và hướng dẫn nghiên cứu sinh thực hiện các nhiệm vụ nghiên cứu trong suốt quá trình thực hiện luận án này. Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn các thầy cô trong Học viện và Lãnh đạo Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã động viên và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian làm luận án. Cuối cùng, nghiên cứu sinh cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình đã luôn bên cạnh ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện nội dung luận án. Hà Nội, tháng 10 năm 2023
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .......................................................................... vi BẢNG DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .................................................................. xiii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................ xviii DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................................xx PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................1 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN .....................................................................1 2. MỤC TIÊU, NHIỆM VỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..........................3 3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU ......................................................................................3 4. CÁC ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN.......................................................................4 5. BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN......................................................................................4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG BACKHAUL DI ĐỘNG ......................7 1.1. Tổng quan về mạng backhaul di động .................................................................7 1.1.1. Mạng backhaul di động .....................................................................................7 1.1.2. Đặc điểm của mạng backhaul di động ..............................................................8 1.1.3. Một số giải pháp trong việc phát triển mạng backhaul di động ........................9 1.1.4. Các công nghệ backhaul .................................................................................11 1.2. Các yêu cầu, thách thức của mạng backhaul thế hệ tiếp theo (5G) ...................15 1.2.1. Tổng quan về mạng thông tin di động 5G ......................................................15 1.2.2. Thách thức của mạng backhaul 5G .................................................................16 1.2.3. Một số nghiên cứu mới về mạng Backhaul 5G...............................................19 1.3. Các công trình nghiên cứu liên quan đến luận án ..............................................23 1.3.1. Các công trình trong nước...............................................................................23 1.3.2. Các công trình nghiên cứu nước ngoài ...........................................................24 1.3.2.1. Các nghiên cứu về kiến trúc và công nghệ mạng backhaul lai ghép ...........24 1.3.2.2. Các nghiên cứu về kiến trúc sử dụng nút chuyển tiếp .................................27
iv 1.3.2.3. Các nghiên cứu về việc sử dụng các mô hình chuyển đổi kết hợp ..............29 1.4. Định hướng nghiên cứu......................................................................................32 1.5. Tổng kết chương 1 .............................................................................................33 CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN BACKHAUL LAI GHÉP FSO/MMW ..............................................................................................................34 2.1. Tổng quan về hệ thống truyền thông quang không dây FSO.............................34 2.1.1. Giới thiệu về FSO ...........................................................................................34 2.1.2. Ưu điểm của FSO ............................................................................................39 2.1.3. Hạn chế của FSO.............................................................................................40 2.1.4. Thách thức đối với FSO ..................................................................................42 2.2. Tổng quan về hệ thống truyền sóng milimet MMW ..........................................44 2.2.1. Giới thiệu về MMW ........................................................................................44 2.2.2. Ưu điểm của MMW ........................................................................................48 2.2.3. Hạn chế của MMW .........................................................................................49 2.2.4. Thách thức đối với MMW ..............................................................................50 2.3. Giải pháp truyền dẫn lai ghép FSO/MMW ........................................................52 2.3.1. Đặt vấn đề .......................................................................................................52 2.3.2. Hệ thống truyền dẫn hai chặng hai chiều kết hợp FSO/RF sử dụng mã hoá mạng………………………………………………………………………………..55 2.3.3. Mô hình kênh của hệ thống .............................................................................55 2.3.3.1. Mô hình kênh FSO .......................................................................................55 2.3.3.2. Mô hình kênh RF .........................................................................................58 2.3.4. Phân tích hiệu năng của hệ thống....................................................................60 2.3.5. Kết quả phân tích hiệu năng của hệ thống ......................................................62 2.4. Tổng kết chương 2 .............................................................................................67 CHƯƠNG 3: CÁC GIẢI PHÁP TRUYỀN DẪN BACKHAUL LAI GHÉP DỰA TRÊN MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG .........................................................68 3.1. Đặt vấn đề ..........................................................................................................68
v 3.2. Cấu trúc truyền dẫn dựa trên WDM-PON .........................................................71 3.3. Phân tích hiệu năng của hệ thống.......................................................................73 3.3.1. Hệ thống truyền dẫn backhaul WDM-PON ....................................................73 3.3.2. Hệ thống truyền dẫn backhaul lai ghép WDM-PON/FSO ..............................76 3.3.3. Hệ thống truyền dẫn backhaul lai ghép WDM-PON/RF ................................79 3.4. Kết quả phân tích hiệu năng của hệ thống .........................................................80 3.5. Tổng kết chương 3 .............................................................................................87 CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP TRUYỀN DẪN BACKHAUL LAI GHÉP WDM- PON/FSO .................................................................................................................88 4.1. Đặt vấn đề ..........................................................................................................88 4.2. Hệ thống truyền dẫn backhaul lai ghép OF/FSO qua WDM-PON ....................91 4.3. Phân tích hiệu năng của hệ thống.......................................................................92 4.3.1. FWM trong sợi quang .....................................................................................93 4.3.2. Kênh khí quyển ...............................................................................................95 4.3. Kết quả phân tích hiệu năng hệ thống ................................................................99 4.4. Tổng kết chương 4 ...........................................................................................104 KẾT LUẬN ............................................................................................................105 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ...........................................106 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................107
vi BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt A AF Amplify and Forward Khuếch đại và chuyển tiếp APD Avalanche Photodiode Đi-ốt quang thác Amplified Spontaneous Nhiễu phát xạ tự phát được ASE Emission khuếch đại Asynchronous Transfer ATM Chế độ truyền không đồng bộ Mode Cách tử ống dẫn sóng dạng AWG Arrayed Waveguide Grating mảng Additive White Gaussian AWGN Nhiễu Gauss trắng cộng Noise B BBU Base Band Unit Khối băng tần cơ sở BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit Điều chế khoá dịch pha nhị BPSK Binary Phase Shift Keying phân BOF Bessel Optical Filter Bộ lọc quang Bessel BS Base Station Trạm gốc BSC Base Station Center Trung tâm quản lý trạm gốc C Code-Division Multiple Đa truy cập phân chia theo CDMA Access mã Coordinated Multi-Point CoMP Truyền và nhận đa điểm transmission and reception
vii Cloud Radio Access Mạng truy nhập vô tuyến đám C-RAN Network mây CS Center Station Trạm trung tâm CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh D D2D Device to device Thiết bị tới thiết bị DF Decode and Forward Giải mã và chuyển tiếp Data Over Cable Service Đặc tính giao diện dịch vụ DOCSIS Interface Specification truyền dữ liệu qua cáp DSL Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số Dense Wavelengths Ghép kênh phân chia theo DWDM Division Multiplexing bước sóng mật độ cao E Erbium-Doped Fiber Khuếch đại quang pha tạp EDFA Amplifier Erbium EFM Ethernet in the First Mile Ethernet trong dặm đầu tiên EHF Extremely high frequency Tần số cực kỳ cao Enhanced Mobile Băng thông rộng di động eMBB Broadband nâng cao Ethernet Passive Optical Mạng quang thụ động EPON Network Ethernet EVC Ethernet Virtual Connection Kết nối Ethernet ảo F Song công phân chia theo tần FDD Frequency Division Duplex số Frequency Division Đa truy cập phân chia theo FDMA Multiple Access tần số
viii FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước Free-Space Optical Truyền thông quang trong FSO Communication không gian tự do FWM Four-wave Mixing Trộn bốn sóng G GFP Generic Framing Procedure Quy trình tạo khung chung Gigabit Passive Optical Mạng quang thụ động tốc độ GPON Networks gigabit GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm H HSPA High Speed Packet Access Truy cập gói tốc độ cao I Information & Công nghệ thông tin và ICT Communication truyền thông Technologies International Mobile IMT Viễn thông di động quốc tế Telecommunications IoT Internet of Things Internet vạn vật IP Internet Protocol Giao thức Internet International Liên minh Viễn thông Quốc ITU-R Telecommunication Union tế L LAN Local Area Network Mạng cục bộ
ix Link Capacity Adjustment Sơ đồ điều chỉnh dung lượng LCAS Scheme liên kết LED Light-emitting diode Điốt phát quang LOS Line of Sight Đường nhìn thẳng M MBS Macrocell Base Stations Trạm gốc macrocell Multiple Input Multiple MIMO Đa đầu ra đa đầu vào Output Massive Machine-Type Ứng dụng truyền thông máy mMTC Communications số lượng lớn MMW Millimeter Wave Sóng milimet Maximum Ratio Kỹ thuật kết hợp theo tỷ lệ tối MRC Combination ưu N NC Network Coding Mã hoá mạng Network Function NFV Ảo hóa chức năng mạng Virtualization Next Generation Passive Mạng quang thụ động thế hệ NG PON Optical Network tiếp theo Next Generation of NG-SDH Synchronous Digital SDH thế hệ sau Hierarchy NLOS Non – Line Of Sight Đường truyền không trực tiếp Non Orthogonal Multiple NOMA Access Đa truy nhập phi trực giao
x O Optical Distribution ODN Mạng phân phối quang Network OF Optical Fiber Sợi quang OFC Optical Fiber Cable Cáp quang Orthogonal Frequency- Ghép kênh phân chia theo tần OFDM Division Multiplexing số trực giao OLT Optical line terminal Đầu cuối truyền quang ONU Optical Network Unit Khối mạng quang OOK On Off Keying Điều chế khoá on-off Hệ thống phân cấp truyền tải OTH Optical Transport Hierarchy quang OTN Optical Transport Network Mạng Truyền tải Quang Optical Wireless Truyền thông quang không OWC Communications dây P PA Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất PAN Personal Area Network Mạng khu vực cá nhân PCM Pulse Code Modulation Điều chế xung mã PD Photo-Diode Diode tách quang Plesiochronous Digital Hệ thống phân cấp số cận PDH Hierarchy đồng bộ PON Passive Optical Network Mạng quang thụ động
xi Dịch vụ điện thoại thông POTS Plain Old Telephone Service thường PSK Phase Shift Keying Điều chế khoá dịch pha Q QoE Quality of Experience Chất lượng trải nghiệm QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ R RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến RAU Radio Access Unit Đơn vị truy nhập vô tuyến RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến Truyền sóng vô tuyến qua sợi RoF Radio over Fiber quang RRH Remote Radio Head Đầu cuối vô tuyến từ xa S SBS Small Cell Base Stations Trạm gốc ô nhỏ SC Selective Combining Tổ hợp có chọn lọc Synchronous Digital Hệ thống phân cấp số đồng SDH Hierarchy bộ SNR Signal-to-Soise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu Synchronous Optical SONET Mạng quang đồng bộ Networking T
xii Song công phân chia theo TDD Time Division Duplex thời gian Ghép kênh phân chia theo TDM Time Division Multiplexing thời gian Time Division Multiple Đa truy cập phân chia theo TDMA Access thời gian Time Division Multiplexing Mạng quang thụ động ghép TMD-PON Passive Optical Network kênh phân chia theo thời gian Công nghệ sử dụng khoảng TVWS TV White Space bảo vệ kênh lân cận của truyền hình U Ultra-Reliable Low Latency Truyền thông đáng tin cậy với URLLC Communications độ trễ thấp V VC Virtual Concatenation Kết nối ảo Very high-speed Digital Đường dây thuê bao kỹ thuật VDSL Subscriber Lines số tốc độ rất cao W Wavelength Division Ghép kênh phân chia theo WDM Multiplexing bước sóng Wavelength Division Mạng quang thụ động ghép WDM-PON Multiplexing Passive kênh phân chia theo bước Optical Network sóng
xiii BẢNG DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU A Biên độ đỉnh al Hệ số suy giảm 𝑎!"" Bán kính hiệu dụng 𝑎#$% Hệ số suy hao (do sương mù mỏng) 𝑎%# Hệ số suy hao sợi quang B Băng thông RF 𝐵& Băng thông quang 𝐵! Băng thông điện ( 𝐶' Hệ số cấu trúc chiết suất c Vận tốc ánh sáng 𝐷 Hệ số tán sắc e Điện tích electron 𝐸[𝐼] Cường độ log trung bình 𝐹* Hệ số nhiễu vượt mức 𝐹' Hệ số nhiễu của bộ khuếch đại PA 𝑓+ Tần số sóng mang G Hệ số khuếch đại 𝐺, Hệ số khuếch đại của ăng-ten thu 𝐺- Hệ số khuếch đại của ăng-ten phát 𝐺( Hệ số xuất hiện fading của kênh FSO ℎ& Hằng số Planck
xiv ℎ. Hệ số tổn thất kênh và dao động cường độ do nhiễu động khí quyển ℎ* Hệ số nhiễu động khí quyển ℎ/ Phần năng lượng được thu thập bởi một đi ốt quang (PD) 𝐼 Cường độ 𝐼& Cường độ trong không gian tự do 𝐼0 Dòng điện tối K Hệ số Rice 𝑘1 Hằng số Boltzmann 𝐾2 (.) Hàm Bessel được sửa đổi của loại hai và bậc v 𝐾345 (.) Hàm Bessel cải tiến loại hai L Khoảng cách liên kết 𝐿. Khoảng cách liên kết sợi đầu tiên 𝐿%# Chiều dài sợi quang 𝐿#$% Khoảng cách của liên kết FSO 𝑁& Mật độ phổ công suất nhiễu tính bằng dBm hoặc MHz 𝑁# Nhiễu của máy thu 𝑁6 Tỉ lệ chia tách 𝑁"67 Độ lệch chuẩn nhiễu 𝑛8 Hệ số phát xạ tự phát P Áp suất khí quyển (millibars) 𝑝 Độ đáp ứng 𝑃9 Công suất quang truyền
xv 𝑃9$: Công suất nhiễu ASE 𝑃9;< Công suất tín hiệu sau khi chạy qua AWG 𝑃1 Công suất RF được truyền đi 𝑃=> Công suất nhiễu nền 𝑃0 Lỗi công suất 𝑃#. Công suất đầu ra của sợi quang đầu tiên 𝑃#$% (e) BER trung bình của liên kết FSO 𝑃?# (e) BER trung bình của liên kết RF Q (.) Hàm Q ℜ Độ đáp ứng của đi ốt quang 𝑅= Tốc độ bit 𝑅@ Điện trở 𝑟A!*' Giá trị trung bình của phân bố Rayleigh S.I Phương sai chuẩn hóa của cường độ 𝑆9$: Mật độ phổ công suất (hai mặt) của ASE T Nhiệt độ tuyệt đối 𝑇! Nhiệt độ (Kelvin) z Khoảng cách truyền 𝑎 Bán kính máy thu 2𝛼 Đường kính thu 𝛼*--- Hệ số suy giảm phụ thuộc thời tiết tính bằng km-1 𝛼" Hệ số suy hao sợi quang 𝛼B Hệ số suy hao
xvi 𝛼7CD , 𝛼,*E' Độ suy giảm do hấp thụ oxy và mưa gây ra β Tham số GVD Γ(.) Hàm gamma tiêu chuẩn 𝛾 Gamma 𝛾9 SNR tức thời của liên kết FSO >>> 𝛾9 SNR trung bình của liên kết FSO 𝛾1 SNR tức thời của liên kết RF >>> 𝛾1 SNR trung bình của liên kết RF 𝛾-F Ngưỡng SNR 𝜀+ Phần công suất được thêm vào bởi một thành phần xuyên âm trong cùng dải (in-band) 𝜁 Chỉ số Ion hóa 𝜃 Góc chùm phân kì 𝜆 Bước sóng (micromet) 𝜆1 Bước sóng của hệ thống RF 𝜆G%H Bước sóng của WDM-PON 𝜎 Giá trị hiệu dụng của điện thế tín hiệu nhận được trước bộ tách đường bao 𝜎E Tổn thất chèn 𝜎6 Độ lệch chuẩn Jitter √2𝜎 Giá trị hiệu dụng của đường bao ( ( 𝜎. , 𝜎& Phương sai nhiễu thu của các dòng tín hiệu ( 𝜎, Phuơng sai nháy sáng
xvii ( 𝜎C Phương sai chuẩn hóa của X ( 𝜎? Phương sai Rytov ( 𝜎9 Phương sai của nhiễu âm cộng dạng Gauss (AWGN) ( 𝜎646/ Phương sai nhiễu giao thoa tín hiệu ASE ( 𝜎6F Phương sai nhiễu bắn ( 𝜎-F Phương sai nhiễu nhiệt ( 𝜎C+ Phương sai nhiễu xuyên âm
xviii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. 1. Cấu trúc mạng backhaul di động................................................................8 Hình 1. 2. Các kiến trúc mạng backhaul di động 5G ................................................26 Hình 2. 1. Mô hình hệ thống FSO .............................................................................36 Hình 2. 2. Các công nghệ truyền thông không dây [138] .........................................37 Hình 2. 3. Tác động của môi trường tới một hệ thống FSO .....................................40 Hình 2. 4. Mô hình hệ thống kết hợp FSO/RF hai chặng .........................................53 Hình 2. 5. Tương quan giữa xác suất dừng với tổng khoảng cách trong trường hợp 𝑃9 = 𝑃1 = 10 dBm, 𝐿?# / 𝐿#$% = 1/2 , 𝛾-F = 0 dB………………………………..64 Hình 2. 6. Tương quan giữa xác suất dừng với tổng khoảng cách trong trường hợp PI = PJ = 10 dBm, CK = 104.L , và γMN = 0 dB………………………………..65 ( Hình 2. 7. BER so với tỷ lệ 𝐿?# /𝐿#$% trong trường hợp fading Gamma-Gamma / Rayleigh với 𝑃9 = 𝑃1 = 10 dBm và 𝐿 = 2000 m………………………………… 66 Hình 3. 1. Hệ thống truyền dẫn di động tích hợp giữa không dây và sợi quang [16] ...................................................................................................................................69 Hình 3. 2. Cấu trúc hệ thống truyền dẫn dựa trên WDM-PON ................................71 Hình 3. 3. So sánh hiệu năng của hệ thống truyền dẫn lai ghép WDM-PON/FSO, WDM-PON/RF và hệ thống NGPON2 với 𝑅= = 10 Gbps và 𝐿?# = 𝐿#$% = 800 m…………………………………………………………………………...……….82 Hình 3. 4. BER so với tổng khoảng cách với các công suất phát khác nhau với R O = 10 Gbps và LPQ = LQRS = 800 m………………………………………………….83 Hình 3. 5. BER so với tỷ lệ chia tách trong trường hợp tổng khoảng cách 𝐿 = 40 km với 𝑅= = 10 Gbps và 𝐿?# = 𝐿#$% = 800 m………………………………………85 Hình 3. 6. Ảnh hưởng của hệ số khuếch đại lên BER của truyền dẫn với 𝐿 = 40 km, 𝑅= = 10 Gbps và 𝐿?# = 𝐿#$% = 800 m…………………………………………...85 Hình 3. 7. BER so với công suất phát với tốc độ bit khác nhau, 𝐿 = 40 km và 𝐿?# = 𝐿#$% = 800 m………………………………………………………………………86