Luận án tiến sĩ Kỹ thuật viễn thông: Đánh giá hiệu năng hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC-QAM dưới ảnh hưởng của lỗi lệch tia

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:129

Thêm vào BST

Báo xấu

51
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu chính của luận án hướng tới là nghiên cứu tìm kiếm các giải pháp cải thiện hiệu năng của hệ thống truyền thông quang không dây dưới ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển và lỗi lệch tia. Để đạt được mục tiêu này, luận án cần phải xây dựng được mô hình giải tích để mô hình hóa kênh truyền khí quyển và khảo sát hiệu năng của hệ thống sử dụng các kỹ thuật tiên tiến nhằm cải thiện hiệu năng cho hệ thống này.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật viễn thông: Đánh giá hiệu năng hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC-QAM dưới ảnh hưởng của lỗi lệch tia

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI DƢƠNG HỮU ÁI ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ SC-QAM DƢỚI ẢNH HƢỞNG CỦA LỖI LỆCH TIA LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI DƢƠNG HỮU ÁI ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ SC-QAM DƢỚI ẢNH HƢỞNG CỦA LỖI LỆCH TIA Ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 9520208 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. HÀ DUYÊN TRUNG 2. PGS.TS. ĐỖ TRỌNG TUẤN Hà Nội – 2018
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được trong luận án là chính xác và trung thực, tất cả các kế thừa của các tác giả khác đã được trích dẫn. Hà Nội, ngày 02 tháng 07 năm 2018 XÁC NHẬN CỦA TẬP THỂ HƯỚNG DẪN GV. Hướng dẫn 1 GV. Hướng dẫn 2 Tác giả luận án PGS.TS. Hà Duyên Trung PGS.TS. Đỗ Trọng Tuấn Dương Hữu Ái
LỜI CẢM ƠN Trước hết tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến PGS. TS. Hà Duyên Trung và PGS. TS. Đỗ Trọng Tuấn đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, định hướng, động viên kịp thời trong suốt thời gian tác giả thực hiện luận án, đồng thời hỗ trợ tôi về nhiều mặt để tôi có thể hoàn thành bản luận án này. Qua đây tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn đến Viện Điện tử - Viễn thông và Viện Đào tạo sau đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Đồng thời, xin gửi lời cảm ơn các thầy cô, các anh chị, các bạn đồng nghiệp đã hỗ trợ tôi về nghiên cứu và học thuật cũng như trong công tác chuyên môn. Cuối cùng, tôi xin dành những lời cảm ơn và yêu thương nhất đến mọi thành viên trong gia đình, sự động viên, giúp đỡ của họ là động lực mạnh mẽ giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án này. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 02 tháng 07 năm 2018 Tác giả luận án Dương Hữu Ái
MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................................. i DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................... v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................ vii CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN .......................... xii MỞ ĐẦU .................................................................................................................. xv 1. Bối cảnh nghiên cứu ....................................................................................... xv 2. Những vấn đề còn tồn tại .............................................................................. xix 3. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu................................................. xx 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ................................................. xxi 5. Phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................................. xxi 6. Đóng góp khoa học của luận án .................................................................... xxi 7. Bố cục luận án ............................................................................................... xxii CHƢƠNG 1 ............................................................................................................... 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG FSO...................................................................... 1 1.1. Giới thiệu chƣơng .......................................................................................... 1 1.2. Mô hình một hệ thống FSO .......................................................................... 1 1.2.1. Máy phát....................................................................................................2 1.2.2. Kênh truyền dẫn khí quyển........................................................................3 1.2.3. Máy thu......................................................................................................5 1.3. Các yếu tố ảnh hƣởng lên hiệu năng hệ thống FSO ................................... 7 1.4. Mô hình kênh truyền ..................................................................................... 8 1.4.1. Giới thiệu về nhiễu loạn không khí...........................................................8 1.4.2. Tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ...............................................................9 1.4.3. Mô Hình nhiễu loạn Log-Normal............................................................13 1.4.4. Mô hình nhiễu loạn Gamma-Gamma......................................................17 1.4.5. Mô hình pha-đinh do lệch tia...................................................................19 1.5. Kỹ thuật MIMO và điều chế trong FSO ................................................... 22 1.5.1. Giới thiệu về điều chế trong FSO...........................................................22 i
1.5.2. Điều chế biên độ cầu phương..................................................................23 1.5.3. Kỹ thuật phân tập MIMO........................................................................24 1.6. Các thông số đánh giá hiệu năng của hệ thống ......................................... 26 1.6.1. Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình.........................................................................26 1.6.1.1. Hệ thống SISO/FSO ........................................................................ 26 1.6.1.2. Hệ thống MIMO/FSO ..................................................................... 26 1.6.2. Dung lượng trung bình............................................................................27 1.6.2.1. Hệ thống SISO/FSO ........................................................................ 27 1.6.2.2. Hệ thống MIMO/FSO ..................................................................... 27 1.7. Kết luận chƣơng 1 ........................................................................................ 28 CHƢƠNG 2 ............................................................................................................. 29 ẢNH HƢỞNG CỦA LỖI LỆCH TIA LÊN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ SC-QAM ............................................. 29 2.1. Giới thiệu chƣơng ........................................................................................ 29 2.2. Hệ thống FSO điểm-điểm sử dụng chuyển tiếp ........................................ 30 2.3. Mô hình trạng thái kênh truyền ................................................................. 32 2.3.1. Suy hao đường truyền..............................................................................32 2.3.2. Nhiễu loạn khí quyển...............................................................................33 2.3.2.1. Mô hình nhiễu loạn Log-Normal .................................................... 34 2.3.2.2. Mô hình nhiễu loạn Gamma-Gamma .............................................. 36 2.3.3. Lỗi lệch tia...............................................................................................37 2.4. Tổng hợp biến đổi tín hiệu cho toàn hệ thống........................................... 38 2.4.1. Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển...............................38 2.4.2. Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia................................................39 2.4.2.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 39 2.4.2.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh ................................ 40 2.5. Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình ............................................................................ 42 2.6. Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống FSO với tham số ASER ............... 43 ii
2.6.1. Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển...............................43 2.6.1.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 44 2.6.1.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh ................................ 45 2.6.2. Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia................................................47 2.6.2.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 47 2.6.2.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh ................................ 51 2.7. Dung lƣợng kênh trung bình ...................................................................... 54 2.7.1. Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển...............................54 2.7.1.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 54 2.7.1.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh ................................ 55 2.7.2. Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia................................................56 2.7.2.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 56 2.7.2.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh ................................ 57 2.7.3. Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống FSO với tham số ACC..................58 2.7.3.1. Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển ....................... 58 2.7.3.2. Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia ........................................ 61 2.8. Kết luận chƣơng 2 ........................................................................................ 63 CHƢƠNG 3 ............................................................................................................. 65 GIẢM ẢNH HƢỞNG CỦA LỖI LỆCH TIA LÊN HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG FSO CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG KỸ THUẬT MIMO ....................... 65 3.1. Giới thiệu chƣơng ........................................................................................ 65 3.2. Hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật MIMO ............................... 66 3.3. Mô hình trạng thái kênh truyền ................................................................. 67 3.4. Tổng hợp biến đổi tín hiệu cho toàn hệ thống........................................... 69 3.4.1. Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển...............................69 3.4.2. Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia................................................70 3.4.2.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 70 3.4.2.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình điến mạnh ............................... 71 iii
3.5. Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình ............................................................................ 71 3.6. Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống FSO với tham số ASER ............... 72 3.6.1 Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển................................73 3.6.1.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 73 3.6.1.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh ................................ 74 3.6.2 Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia.................................................76 3.6.2.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 76 3.6.2.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh ................................ 80 3.7. Dung lƣợng kênh trung bình ...................................................................... 83 3.7.1. Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển...............................83 3.7.1.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 83 3.7.1.1. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh ................................ 84 3.7.2. Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia................................................85 3.7.2.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 85 3.7.2.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh ................................ 85 3.7.3. Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống FSO với tham số ACC..................86 3.7.3.1. Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển ....................... 86 3.7.3.2. Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia ........................................ 90 3.8. Kết luận chƣơng 3 ........................................................................................ 92 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 95 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............. 103 iv
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Thuật ngữ tiếng anh Nghĩa tiếng việt ACC Average Channel Capacity Dung lượng kênh trung bình AF Amplify-and-Forward Khuếch đại và chuyển tiếp APD Avalanche Photodiode Đi-ốt quang thác lũ ASE Average Spectral Efficiency Hiệu suất phổ trung bình ASER Average Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình ASK Amplitude Shift Keying Điều chế khóa dịch biên độ AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bít CEP Conditional Error Probability Xác suất lỗi có điều kiện DF Decode-and-Forward Giải mã và chuyển tiếp DSL Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số EGC Equal Gain Combining Bộ tổ hợp với cùng độ lợi FEC Forward Error Correction Sửa lỗi hướng đi Truyền thông quang trong không FSO Free-Space Optics gian tự do G-G Gamma-Gamma Phân bố Gamma-Gamma HV-Day Hufnagel-Valley Day Model Mô hình HV-Day HV-Night Hufnagel-Valley Night Model Mô hình HV-Night Intensity Modulation with Direct Điều chế cường độ tách sóng trực IM/DD Detection tiếp IM Intensity Modulation Điều chế cường độ IR Infrared Radiation Bức xạ hồng ngoại L-N Log-Normal Phân bố Log-Normal LED Light Emitting Diode Đi-ốt phát quang LOS Line-Of-Sight Tầm nhìn thẳng v
MIMO Multipe-Input Multipe-Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra MRC Maximal Ratio Combining Bộ tổ hợp với tỷ số tối đa OOK On-Off Keying Điều chế khóa đóng-mở OWC Optical Wireless Communications Truyền thông quang không dây PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất PD Photodiode Diode tách quang PPM Pulse-Position Modulation Điều chế vị trí xung PSK Phase-shift Keying Điều chế khóa dịch pha Quadrature Amplitude QAM Điều chế biên độ cầu phương Modulation RV Random Variable Biến ngẫu nhiên RF Radio Frequency Tần số vô tuyến Scanning and Selection Bộ tổ hợp theo kiểu quét và lựa SC Combining chọn Subcarrier – Pulse Position Điều chế vị trí xung sóng mang SC-PPM Modulation con Điều chế khóa dịch pha song SC-PSK Subcarrier – Phase-shift Keying mang con Subcarrier – Quadrature Điều chế biên độ cầu phương SC-QAM Amplitude Modulation sóng mang con Điều chế cường độ sóng mang SIM Subcarrier Intensity Modulation con SISO Single-Input Single-Output Một đầu vào một đầu ra Submarine Laser Communication SLC-Day Mô hình SCL-Day Day Model SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu VLC Visible Light Communication Truyền thông ánh sáng nhìn thấy vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống FSO với sự sự nhiễu loạn không khí ................................. 1 Hình 1.2. Tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ thay đổi theo độ cao của các mô hình khác nhau. Với mô hình HV-Day, A= 1,7×10-14 m-2/ 3 và vận tốc gió v = 5,3m/ s 10 Hình 1.3. Tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ theo các giờ trong ngày được xác định từ dữ liệu của trạm khí tượng thu thập được vào tháng 06 tại thành phố Hà Nội, Việt Nam [72] ................................................................................................................... 12 Hình 1.4. Hàm mật độ xác suất của phâm bố L-N với các tham số chỉ số nhấp nháy khác nhau .................................................................................................................. 16 Hình 1.5. Hàm mật độ xác xuất của phân bố G-G với các tham số chỉ số nhấp nháy khác nhau .................................................................................................................. 18 Hình 1.6. Hàm mật độ xác xuất của phâm bố G-G và L-N với các tham số chỉ số nhấp nháy khác nhau ................................................................................................ 19 Hình 1.7. Sự lệch vùng chùm tia tới với vùng khẩu độ máy thu [1] ........................ 20 Hình 2.1. Mô hình hệ thống FSO chuyển tiếp.......................................................... 30 Hình 2.2. Nút nguồn, nút chuyển tiếp và nút đích của hệ thống FSO chuyển tiếp .. 31 Hình 2.3. Hàm mật độ xác suất của phân bố L-N với trạm chuyển tiếp khác nhau . 35 Hình 2. 4. Hàm mật độ xác suất của phân bố G-G với trạm chuyển tiếp khác nhau 37 Hình 2.5. ASER biến đổi theo SNR của hệ thống với các giá trị khác nhau của khoảng cách truyền L sử dụng điều chế 8×4 QAM và số trạm chuyển tiếp c = 0,1, 2 .................................................................................................................. 44 Hình 2.6. ASER biến đổi theo SNR của hệ thống với khoảng cách truyền L = 6000 m sử dụng điều chế 4×4 QAM, 8×4 QAM và 8×8 QAM và số trạm chuyển tiếp c = 0,1, 2 ............................................................................................... 45 Hình 2.7. ASER biến đổi theo SNR của hệ thống với các giá trị của khoảng cách kênh truyền L = 2000 m, 6000 m, và 8000 m sử dụng điều chế 8× 4 QAM và hệ số khuếch đại PAF = 2 dB ......................................................................................... 46 Hình 2.8. ASER biến đổi theo SNR với hệ thống với khoảng cách kênh truyền L  3000 m , các mức điều chế 4×4 QAM, 8×4 QAM và 8×8 QAM, và số trạm chuyển tiếp c = 0,1, 2 ............................................................................................... 46 Hình 2.9. ASER biến đổi theo bán kính tia tại phía phát 0 với các giá trị khác nhau của bán kính khẩu độ thu r , khoảng cách truyền L = 1000 m,  s = 0,35 m, SNR = 22 dB ............................................................................................................. 47 vii
Hình 2.10. ASER biến đổi theo bán kính tia tại phía phát 0 với các giá trị khác nhau của  s , khoảng cách truyền L = 1000 m, r = 0,075 m, SNR = 22 dB ............. 48 Hình 2.11. ASER biến đổi theo  s , với các giá trị khác nhau của 0 , khoảng cách truyền L = 1000 m, bán kính khẩu độ thu r = 0,055 m, SNR = 22 dB ...................... 49 Hình 2.12. ASER biến đổi theo  s , với các giá trị khác nhau của r , khoảng cách truyền L = 1000 m, bán kính tia tại phía phát 0 = 0,022 m, SNR = 22 dB .............. 49 Hình 2.13. ASER biến đổi theo bán kính khẩu độ thu r , với các giá trị khác nhau của  s , bán kính khẩu độ thu 0 = 0,022 m, L = 1000 m, SNR = 22 dB ................ 50 Hình 2.14. ASER biến đổi theo SNR của hệ thống với các giá trị khác nhau của 0 , bán kính khẩu độ thu r = 0,055 m, L = 1000 m,  s = 0,16 m .................................. 51 Hình 2.15. ASER biến đổi theo  s , với các giá trị khác nhau của 0 , khoảng cách truyền L = 1000 m, bán kính khẩu độ thu r = 0,055 m, SNR = 22 dB ..................... 52 Hình 2.16. ASER biến đổi theo  s , với các giá trị khác nhau của r , khoảng cách truyền L = 1000 m, bán kính khẩu độ thu 0 = 0,022 m, SNR = 22 dB ................... 52 Hình 2.17. ASER biến đổi theo bán kính khẩu độ thu r , với các giá trị khác nhau của  s , bán kính khẩu độ thu 0 = 0,022 m, L = 1000 m, SNR = 22 dB ................ 53 Hình 2.18. ASER biến đổi theo SNR với khoảng cách kênh truyền L = 1000 m, bán kính khẩu độ thu r = 0,055 m, bán kính tia tại phía phát 0 = 0,022 m .................. 53 Hình 2.19. ASE biến đổi theo SNR của kênh truyền FSO với nhiễu loạn khí quyển từ yếu đến mạnh, khoảng cách kênh truyền L = 2000 m , và số trạm chuyển tiếp c = 0,1, 2 .................................................................................................................. 59 Hình 2.20. ASE biến đổi theo SNR của kênh truyền FSO với nhiễu loạn khí quyển từ yếu đến mạnh, khoảng cách kênh truyền L = 4000 m , và số trạm chuyển tiếp c = 0,1, 2 .................................................................................................................. 59 Hình 2.21. ASE biến đổi theo số trạm lặp của kênh truyền FSO với nhiễu loạn khí quyển từ yếu đến mạnh, khoảng cách kênh truyền L = 2000 m .............................. 60 Hình 2.22. ASE biến đổi theo số trạm lặp của kênh truyền FSO với nhiễu loạn khí quyển từ yếu đến mạnh, khoảng cách kênh truyền L = 6000 m .............................. 60 Hình 2.23. ASE biến đổi theo SNR với các giá trị khác nhau của biến lệch tia,  s trong điều kiện nhiễu loạn từ yếu đến mạnh, khoảng cách kênh truyền L = 2000 m .................................................................................................................................. 61 viii
Hình 2.24. ASE biến đổi theo SNR với các giá trị khác nhau của biến lệch tia,  s trong điều kiện nhiễu loạn từ yếu đến mạnh, khoảng cách kênh truyền L = 4000 m .................................................................................................................................. 62 Hình 2.25. ASE biến đổi theo SNR với các giá trị của trạm chuyển tiếp và biến lệch tia,  s trong điều kiện nhiễu loạn yếu, khoảng cách kênh truyền L = 2000 m ....... 62 Hình 2.26. ASE biến đổi theo SNR với các giá trị của trạm chuyển tiếp và biến lệch tia,  s trong điều kiện nhiễu loạn yếu, khoảng cách kênh truyền L = 4000 m ....... 63 Hình 3.1. Mô hình hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật phân tập MIMO.66 Hình 3.2. Hàm pdf của sự biến đổi tín hiệu X với các giá trị khác nhau của trạm lặp chuyển tiếp AF.......................................................................................................... 68 Hình 3.3. Hàm của sự biến đổi tín hiệu X với các bán kính vòng tròn khẩu độ thu khác nhau .................................................................................................................. 69 Hình 3.4. ASER biến đổi theo SNR của hệ thống 2× 2 và 4×4 với khoảng cách truyền L = 2000 m sử dụng điều chế 8×4 QAM và số trạm chuyển tiếp c = 0,1, 2 .................................................................................................................................. 73 Hình 3.5. ASER biến đổi theo SNR của hệ thống SISO, 2× 2 và 4× 4, L = 6000 m sử dụng điều chế 8×4 QAM và số trạm chuyển tiếp c = 0,1, 2 ............................. 74 Hình 3.6. ASER biến đổi theo SNR của hệ thống SISO, 2× 2 và 4×4 với các giá trị của trạm chuyển tiếp c = 0,1, 2 sử dụng điều chế 8× 4 QAM ........................... 75 Hình 3.7. ASER biến đổi theo SNR của hệ thống SISO, 2× 2 và 4×4 với các giá trị của trạm chuyển tiếp c = 0,1, 2 sử dụng điều chế 8× 4 QAM ........................... 75 Hình 3. 8. ASER biến đổi theo  s với các cấu hình khác nhau của hệ thống, khoảng cách truyền L = 1000 m, bán kính khẩu độ thu r = 0,055 m, SNR = 23dB ............ 76 Hình 3. 9. ASER biến đổi theo  s với các cấu hình khác nhau của hệ thống, khoảng cách truyền L = 1000 m, bán kính tia tại phía phát 0 = 0,022 m, SNR = 23dB .... 77 Hình 3. 10. ASER biến đổi theo bán kính khẩu độ thu r , với các cấu hình SISO, 2× 2 và 4×4 , khoảng cách truyền L = 1000 m, SNR = 23dB .............................. 77 Hình 3. 11. ASER biến đổi theo bán kính khẩu độ thu r , với các cấu hình SISO, 2× 2 và 4×4 , khoảng cách truyền L = 1000 m, SNR = 23dB .............................. 78 Hình 3. 12. ASER biến đổi theo SNR với các cấu hình khác nhau của hệ thống, khoảng cách truyền L = 1000 m,  s = 0,16 m r = 0,055 m, c = 1 .......................... 79 Hình 3. 13. ASER biến đổi theo khoảng cách kênh truyền L , với các cấu hình khác nhau của hệ thống,  s = 0,16 m r = 0,055 m, SNR = 23dB .................................... 79 ix
Hình 3. 14. ASER biến đổi theo  s , với các cấu hình các cấu hình SISO, 2× 2 và 4× 4 , khoảng cách truyền L = 1000 m, bán kính tia 0 = 0,022 m, SNR = 23dB . 80 Hình 3. 15. ASER biến đổi theo bán kính khẩu độ thu r , với các cấu hình các cấu hình SISO, 2× 2 và 4×4 , khoảng cách truyền L = 1000 m, SNR = 23dB ........... 81 Hình 3. 16. ASER biến đổi theo bán kính khẩu độ thu r , với các cấu hình các cấu hình SISO, 2× 2 và 4×4 , khoảng cách truyền L = 1000 m, SNR = 23dB ........... 81 Hình 3. 17. ASER biến đổi theo SNR với các cấu hình các cấu hình SISO, 2× 2 và 4×4 MIMO của hệ thống, khoảng cách kênh truyền L = 1000 m, 0 = 0,022 m, r = 0,055 m,  s = 0,08 m ......................................................................................... 82 Hình 3. 18. ASER biến đổi theo khoảng cách kênh truyền L , với các cấu hình SISO, 2× 2 và 4×4 , 0 = 0,022 m, r = 0,055 m,  s = 0,08 m .............................. 83 Hình 3.19. ASE biến đổi theo SNR của hệ thống phân tập MIMO, Cn2 = 3×10-14 m-2/ 3 khoảng cách kênh truyền L = 2000 m , số trạm chuyển tiếp c = 0,1, 2 .................................................................................................................. 87 Hình 3.20. ASE biến đổi theo SNR của hệ thống phân tập MIMO, Cn2 = 3×10-14 m-2/ 3 khoảng cách kênh truyền L = 4000 m , số trạm chuyển tiếp c = 0,1, 2 .................................................................................................................. 87 Hình 3.21. ASE biến đổi theo SNR của kênh truyền SISO, 2×2 và 4×4 với nhiễu loạn khí quyển từ yếu đến mạnh, khoảng cách kênh truyền L = 2000 m , và số trạm chuyển tiếp c = 1 ...................................................................................................... 88 Hình 3.22. ASE biến đổi theo SNR của kênh truyền SISO, 2×2 và 4×4 với nhiễu loạn khí quyển từ yếu đến mạnh, L = 4000 m , và số trạm chuyển tiếp c = 1 .......... 88 Hình 3.23. ASE biến đổi theo số trạm lặp của kênh truyền SISO, 2×2 và 4×4 với nhiễu loạn khí quyển từ yếu đến mạnh, khoảng cách kênh truyền L = 2000 m ...... 89 Hình 3.24. ASE biến đổi theo số trạm lặp của kênh truyền SISO, 2×2 và 4×4 với nhiễu loạn khí quyển từ yếu đến mạnh, khoảng cách kênh truyền L = 4000 m ...... 90 Hình 3.25. ASE biến đổi theo SNR với nhiễu loạn yếu của khí quyển, khoảng cách kênh truyền L = 4000 m, c = 0 ................................................................................. 90 Hình 3.26. ASE biến đổi theo SNR với nhiễu loạn yếu của khí quyển, khoảng cách kênh truyền L = 4000 m, c = 1 ................................................................................. 91 Hình 3.27. ASE biến đổi theo SNR với nhiễu loạn yếu của khí quyển, khoảng cách kênh truyền L = 4000 m, c = 2 ................................................................................. 91 x
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Một số loại nguồn quang sử dụng trong FSO [79] .................................... 3 Bảng 1.2. Phân bố các loại khí tiêu biểu kênh truyền khí quyển [69] ........................ 4 Bảng 1.3. Các bộ tách quang sử dụng phổ biến trong FSO [69] ................................ 6 Bảng 1.4. Trọng số Wth tương ứng với các khoảng thời gian [65].......................... 11 Bảng 2.1. Thông số tầm nhìn theo sự phân bố kích thước hạt ................................. 33 Bảng 2.2. Các thông số đánh giá hệ thống ............................................................... 43 Bảng 3.1. Các thông số đánh giá hệ thống ............................................................... 72 xi
CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Nghĩa tiếng việt A Diện tích mặt thu của bộ thu A0 Tỷ lệ công suất thu được tại r = 0 B Băng thông quang C Dung lượng kênh trung bình Cn2 Tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ c Số trạm chuyển tiếp D Đường kính thấu kính thu E Điện trường erf ( x) Hàm lỗi erfc( x) Hàm lỗi bù FX ( x) Hàm tích lũy của biến x f X ( x) Hàm mật độ xác suất của biến x G pm qn  Hàm Meijer G với các số nguyên m, n, p, q I Cường độ trường i Đơn vị số ảo K v () Hàm Bessel sửa đổi loại 2 bậc  k Số sóng L Tổng khoảng cách truyền dẫn M I M Q Số mức điều chế M Số bộ phát sóng quang ở phía phát N Số bộ tách sóng quang ở phía thu xii
N0 Mật độ công suất nhiễu Ps Công suất phát trung bình trên kí tự Q() Hàm Gauss-Q  Đáp ứng của bộ tách quang r Bán kính thấu kính thu SI Chỉ số nhấp nháy X Tham số trạng thái kênh Xa Hệ số kênh phản ánh nhiễu loạn khí quyển Xl Hệ số kênh đặc trưng cho ảnh hưởng của tổn hao Xp Hệ số kênh phản ánh tổn hao hình học và lệch hướng V Dải tầm nhìn l Hệ số suy hao trong không khí s Độ lệch chuẩn jitter (lệch hướng thu – phát) () Hàm Gamma  Bước sóng tia truyền  Hệ số điều chế  I2 Phương sai cường độ trường  s2 Phương sai jitter tại phía thu  x2 Phương sai log-biên độ (tham số Rytov)  N2 Phương sai chuẩn hóa  Tỷ số tín hiệu trên nhiễu  Thông số hiệu ứng tán xạ  Thông số hiệu ứng khúc xạ xiii
 Hiệu suất lượng tử Trung bình chung  Vectơ bán kính từ tâm búp sóng quang 0 Độ dài kết hợp zeq Bán kính tia tương đương 0 Độ rộng búp sóng quang tại z = 0 z Độ rộng búp sóng quang tại khoảng cách z xiv
MỞ ĐẦU 1. Bối cảnh nghiên cứu Truyền thông quang không dây (Wireless Optical Communications_WOC) là công nghệ sử dụng sóng mang quang để truyền tải số liệu qua không gian. Các ưu điểm nổi bật mà hệ thống truyền thông quang không dây có được bao gồm tốc độ truyền bit cao, không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ, không yêu cầu xin cấp phép tần số, chi phí hiệu quả, triển khai nhanh và linh hoạt [51], [72]. Trong thời gian gần đây, các hướng nghiên cứu đối với truyền thông quang không dây đang nổi lên như là một công nghệ có thể phát triển cho các ứng dụng không dây băng rộng trong nhà và ngoài trời cho truyền thông không dây tương lai. Các hệ thống truyền thông quang không dây trong nhà điển hình bao gồm hệ thống truyền thông hồng ngoại (Infrared Radiation_IR) và hệ thống truyền thông sử dụng bước sóng ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communication_VLC), các hệ thống này do được triển khai trong nhà và cự ly truyền dẫn ngắn nên ít chịu ảnh hưởng của môi trường không khí như suy hao, nhiễu loạn không khí, sự lệch tia giữa máy phát và máy thu. Các hệ thống truyền thông quang không dây ngoài trời hay thường được gọi là truyền thông quang trong không gian tự do (Free-Space Optical_FSO), là công nghệ truyền thông tin, dữ liệu giữa hai điểm sử dụng bức xạ quang như là tín hiệu mang tin và được truyền qua các kênh truyền tự do. Dữ liệu cần truyền được điều chế vào cường độ, pha, hoặc tần số của bức xạ quang mang tin. Một đường truyền dẫn FSO về cơ bản là đường truyền dẫn thẳng (Line-Of- Sight_LOS). Do cự ly truyền dẫn xa, chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn nên việc triển khai hệ thống FSO vẫn còn hạn chế. Kênh truyền tự do có thể là trong không gian vũ trụ giữa các vệ tinh, dưới nước, trong khí quyển hoặc là sự kết hợp của các loại môi trường trên trong cùng một tuyến thông tin. FSO là một công nghệ đã có từ lâu đời sử dụng sự truyền lan ánh sáng trong không gian để truyền tín hiệu giữa hai điểm, truyền thông tin quang trong môi trường tự do được đặt nền móng lần đầu tiên bởi thí nghiệm Photophone thực hiện bởi Alexander Graham Bell vào năm 1880. Trong thí nghiệm của mình, Bell đã điều chế bức xạ của mặt trời với tín hiệu âm thanh và truyền qua khoảng cách khoảng 200 m. Máy thu được làm từ một chiếc gương parabol với một tế bào Selen đặt tại tiêu điểm. Tuy nhiên, thí nghiệm cho kết quả không thực sự tốt do thiết bị sử dụng thô sơ và sự gián đoạn tự nhiên của bức xạ mặt trời [51]. xv
Những năm 1960 với sự tìm ra các nguồn quang LED, Laser đã đánh dấu sự phát triển của công nghệ FSO, hàng loạt các nghiên cứu về FSO đã được thực hiện từ những năm đầu 1960 đến những năm 1970. Các tuyến FSO đã triển khai thực hiện các liên kết tốc độ cao giữa các tòa nhà, các video an ninh theo dõi và giám sát tốc độ cao, kết nối đường trục cho các mạng di động thế hệ tiếp theo, các kết nối khắc phục thảm họa và các kết nối từ mặt đất tới vệ tinh [3], [14], [78]. Các thí nghiệm kết nối giữa các vệ tinh [26] của châu Âu thực hiện truyền dữ liệu thông qua một liên kết quang giữa các vệ tinh SPOT-4 và Artemis đạt được tốc độ truyền dữ liệu là 50 Mbps [26], kết nối tuyến FSO giữa mặt đất – vệ tinh được tiến hành giữa vệ tinh ETS-VI và trạm mặt đất quang học (OGS) ở Konegi, Nhật Bản [53]. Để có thể đáp ứng yêu cầu truyền thông băng rộng và đạt được cự ly xa, hệ thống FSO cần vượt qua các thách thức như sự suy hao trong không khí, nhiễu loạn khí quyển dưới sự tác động của các yếu tố thời tiết như sương mù, gió, mưa và tuyết. Một số vấn đề khó khăn trong việc triển khai các hệ thống FSO trong thực tế bao gồm các tác động của sự tán xạ, hấp thụ, nhiễu loạn khí quyển và lỗi lệch tia thu phát. Trong các yếu tố tác động này, nhiễu loạn của khí quyển và lỗi lệch tia là những yếu tố tác động lớn nhất và chúng được nghiên cứu nhiều nhất trong các hệ thống truyền thông quang không dây. Nhiễu loạn khí quyển có nguyên nhân từ sự không đồng nhất về nhiệt độ và áp suất khí quyển, mô hình đầy đủ về nhiễu loạn khí quyển được trình bày trong [3], [47]. Nhiễu loạn khí quyển được đặc trưng chủ yếu bởi tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ (Cn2 ). Các mô hình thực nghiệm thể hiện cường độ nhiễu loạn khí quyển qua tham số Cn2 được trình bày trong [51]. Một số nghiên cứu điển hình về đánh giá ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển đến hiệu năng của hệ thống thông qua tham số tỷ lệ lỗi bít (Bit Error Rate_BER) như: mô hình nhiễu loạn Nakagami-m sử dụng điều chế biên độ cầu phương (Quadrature Amplitude Modulation_QAM) [4], mô hình Gamma-Gamma sử dụng điều chế cường độ tách sóng trực tiếp (Intensity Modulation/Direct Detection_IM/DD) [20], [28]; mô hình Gamma-Gamma sử dụng điều chế khóa dịch pha (Phase-shift Keying_PSK) [38] và điều chế biên độ cầu phương QAM [41]. Các nghiên cứu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển đến hiệu năng của hệ thống qua tham số dung lượng kênh trung bình (Average Channel Capacity_ACC) như: sử dụng mô hình nhiễu loạn Log-Normal được trình bày trong các nghiên cứu [5], [6], đánh giá dung lượng kênh sử dụng các cấu hình phân tập khác nhau [7]; sử dụng mô hình kênh Gamma-Gamma kết hợp với kỹ thuật nhiều xvi