Tóm tắt 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:27

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 3
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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt 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 Ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 9520208 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – 2018
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Hà Duyên Trung 2. PGS.TS. Đỗ Trọng Tuấn Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Quốc Bình Phản biện 2: PGS.TS. Trịnh Anh Vũ Phản biện 3: PGS.TS. Vũ Văn San Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi……giờ, ngày …. tháng …. năm…… Có thể tìn hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU 1. Bối cảnh nghiên cứu Truyền thông quang không dây (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. 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 (IR) và hệ thống truyền thông sử dụng bước sóng ánh sáng nhìn thấy (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 (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 (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. Để có thể đáp ứng yêu cầu truyền thông băng rộng, 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 1
yếu tố thời tiết như sương mù, gió, mưa và tuyết, và có một số vấn đề khó khăn trong việc triển khai các hệ thống FSO bao gồm các tác động của sự tán xạ, hấp thụ, nhiễu loạn và sự lệch tia. Trong các yếu tố này, nhiễu loạn của khí quyển và lỗi lệch tia là yếu tố tác động lớn nhất và đây là vấn đề được nghiên cứu nhiều nhất về hệ thống truyền thông quang không dây. 2. Những vấn đề còn tồn tại Các nghiên cứu trước đây cho việc cải thiện hiệu năng của hệ thống FSO thường tập trung vào việc sử dụng các giải pháp kỹ thuật một cách riêng lẻ mà chưa có sự kết hợp nhiều giải pháp kỹ thuật đồng thời, dẫn đến khả năng cải thiện hiệu năng còn hạn chế. Chẳng hạn, một số nghiên cứu chỉ tập trung vào các kỹ thuật phân tập, một số tập trung vào các kỹ thuật điều chế, hoặc chuyển tiếp. Gần đây có một số nghiên cứu đã có sự kết hợp sử dụng các kỹ thuật này nhưng thưc sự chưa nhiều, đặc biệt là các kỹ thuật điều chế như SC-QAM và OFDM. Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào hệ thống FSO điểm-điểm, một số nghiên cứu về hiệu năng các hệ thống FSO chuyển tiếp đa chặng đã được thực hiện gần đây. Tuy nhiên, đối với các hệ thống này chưa đánh giá một cách đầy đủ các tham số đường truyền, chẳng hạn ảnh hưởng của lệch tia và kỹ thuật phân tập MIMO ít được xét tới. Hệ thống FSO chuyển tiếp kết hợp nhiều giải pháp kỹ thuật và đánh giá đầy đủ các tham số đường truyền vẫn là một trong những thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu hiện nay. 3. Mục tiêu của luận án - 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. - Nghiên cứu, xây dựng biểu thức toán học của các tham số hiệu năng của hệ thống từ các kỹ thuật cải thiện hiệu năng đã được đề xuất đối với hệ thống truyền thông quang không dây FSO. 2
4. Đóng góp khoa học của luận án Đóng góp 1: Xây dựng mô hình giải tích và đánh giá hiệu năng hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC-QAM dưới ảnh hưởng của lỗi lệch tia. Đóng góp 2: Đề xuất sử dụng kỹ thuật MIMO nhằm làm giảm ảnh hưởng của lỗi lệch tia lên hiệu năng hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC-QAM. 5. Bố cục luận án Chương 1: Tổng quan về hệ thống FSO Chương 2: Ảnh hưởng của lỗi lệch tia lên hiệu năng hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC-QAM Chương 3: Giảm ảnh hưởng của lỗi lệch tia lên hiệu năng của hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật MIMO CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG FSO 1.1. Giới thiệu chƣơng Nội dung chính của chương sẽ tập trung khảo sát tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ thể hiện mức độ nhiễu loạn của khí quyển, mô hình trạng thái kênh L-N và G-G, mô hình pha-đinh do lệch tia giữa máy phát và máy thu. 1.2. Mô hình một hệ thống FSO 1.2.1. Máy phát Chức năng chính của máy phát trong hệ thống FSO là điều chế dữ liệu nguồn vào bức xạ quang mang tin, bức xạ này sau đó sẽ được truyền tải trên kênh truyền để tới máy thu. 1.2.2. Kênh truyền dẫn khí quyển Kênh truyền của một hệ thống FSO 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. 1.2.3. Máy thu Tại máy thu, tín hiệu quang được tập trung lại và được tách, giải điều chế và được xử lý thông tin. 3
1.3. Các yếu tố ảnh hƣởng lên hiệu năng hệ thống FSO 1.4. Mô hình kênh truyền 1.4.1. Giới thiệu về nhiễu loạn không khí 1.4.2. Tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ Tham số quan trọng thể hiện cường độ dao động của chiết suất đó là tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ Cn2 với đơn vị m2/3 , tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ là một hàm thay đổi theo độ cao so với mực nước biển. 1.4.3. Mô hình nhiễu loạn Log-Normal 1.4.4. Mô hình nhiễu loạn Gamma-Gamma 1.4.5. Mô hình pha-đinh do lệch tia Hàm phân bố xác suất của X p () gây ra bởi lỗi lệch tia được xác định bởi công thức: 2 f X p ( X p )   2 X p 1 , 0  X p  A0 , 2 (1.46) A0 trong đó,   zeq /2 s , A0  erf (v) , v   a /( 2z ). 2 1.5. Kỹ thuật MIMO và điều chế trong FSO 1.5.1. Giới thiệu về điều chế trong FSO 1.5.2. Điều chế biên độ cầu phƣơng 1.5.3. Kỹ thuật MIMO 1.6. Các thông số đánh giá hiệu năng của hệ thống 1.6.1. Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình 1.6.1.1. Hệ thống SISO/FSO Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình Pse của hệ thống được xác định:  Pse   Pe ( ) f ( )d  , (1.50) 0 1.6.1.2. Hệ thống MIMO/FSO Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình của hệ thống được xác định:   Pe ( )  f  ()d , MIMO P se (1.51)  1.6.2. Dung lƣợng kênh trung bình 1.6.2.1. Hệ thống SISO/FSO 4
Dung lượng kênh trung bình được xác định bởi biểu thức:  C   Blog 2 1     f ( )d , (bit/s/Hz), (1.52) 0 1.6.2.2. Hệ thống MIMO/FSO Với hệ thống FSO chuyển tiếp và kênh truyền MIMO, dung lượng kênh trung bình của hệ thống có thể được xác định: C   Blog 2 1     f Γ ()d , (bit/s/Hz), (1.53) Γ 1.7. Kết luận chƣơng 1 Nội dung Chương 1 cũng đã trình bày chi tiết về mô hình giải tích của kênh truyền hệ thống thông tin quang không dây FSO, trong đó mô hình hóa các ảnh hưởng của các tham số chính của kênh truyền lên cường độ tín hiệu quang tại phía thu như: tổn hao đường truyền, nhiễu loạn khí quyển và pha-đinh do lệch tia. CHƢƠNG 2 ẢNH HƢỞNG CỦA LỆCH TIA LÊN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ SC- QAM 2.1. Giới thiệu chƣơng Nội dung của chương này trình bày về ảnh hưởng của lệch tia lên hiệu năng hệ thống. Với hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC-QAM, nghiên cứu sinh đã xây dựng mô hình giải tích khảo sát hiệu năng của hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển và lỗi lệch tia. 2.2. Hệ thống FSO điểm-điểm sử dụng chuyển tiếp Hệ thống FSO chuyển tiếp được minh họa trong Hình 2.1. S R1 R2 R c-1 Rc D Hình 2.1. Mô hình hệ thống FSO chuyển tiếp Tín hiệu điện ở đầu ra của PD của nút đích sau khi qua c nút chuyển tiếp được xác định như sau: re  t   Ps e(t ) i 0 X i 1 (t )i 1Pi   i 0i (t ). c c (2.5)   5
2.3. Mô hình trạng thái kênh truyền Trạng thái kênh truyền X được mô hình hóa bởi biểu thức: X  Xl  Xa  X p. (2.7) trong đó, X l suy hao đường truyền, X a nhiễu loạn khí quyển, X p lỗi lệch tia. 2.3.1. Suy hao đƣờng truyền Sự suy hao của tín hiệu trong bầu khí quyển được xác định theo công thức Beer–Lambert như sau: P ( L) Xl   e L , l (2.8) P(0) trong đó, P( L) là công suất bức xạ tại khoảng cách L , P(0) là công suất bức xạ tại đầu phát,  l là hệ số suy hao phụ thuộc vào bước sóng cũng như điều kiện thời tiết. 2.3.2. Nhiễu loạn khí quyển 2.3.2.1. Mô hình nhiễu loạn Log-Normal Hàm mật độ xác suất được xác định như sau:  [ln(X )+0,5 I2 ]2  fX  X   c 1 1 exp    , (2.17) (c  1) X c 1 I 2  2 I2  2.3.2.2. Mô hình nhiễu loạn Gamma-Gamma Hàm mật độ xác suất được xác định như sau:   2         c  1 Γ   Γ    X   2 c 1 fX X c 1 2 K   2  X . (2.20) 2.3.3. Lỗi lệch tia Hàm mật độ xác suất được xác định bởi công thức (1.46). 2.4. Tổng hợp biến đổi tín hiệu cho toàn hệ thống 2.4.1. Hệ thống chịu ảnh hƣởng của nhiễu loạn khí quyển Trường hợp mô hình nhiễu loạn L-N.  c21      2  1 2 f         2       I  exp ln + 8 I . (2.24)  c 1  (c  1) 2  2  I   6
Trường hợp mô hình nhiễu loạn G-G.  c 1      c 1 1      2  f      ,   . (2.27) 2,0 G0,2 2  c  1 Γ   Γ          2.4.2. Hệ thống chịu ảnh hƣởng của lỗi lệch tia 2.4.2.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu Hàm mật độ xác suất của SNR cho trường hợp L-N. 0,5  2 1  c 1  2  1 b  0,5ln( / Xl2 A02  )  a  f   2   e  er fc   . 0,5  2 I 2 2   2(c 1)( A0 X l )    (2.36) 2.4.2.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bính đến mạnh Hàm mật độ xác suất SNR cho trường hợp G-G. c 1  2   2 ( ) c 1 1  ( /  ) 0.5 . f ( )  2  G1,3  3,0 (c  1)( A0 X l )( )(  ) 2  A0 X l  2 1, 1c , 1c    (2.43) 2.5. Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình ASER của hệ hống được tính theo công thức:   Pse  2q( M I )  Q( AI  ) f ( )d   2q( M Q )  Q( AQ  ) f ( )d  0 0  4q( M I )q( M Q )  Q( AI  )Q( AQ  ) f ( )d  , 0 (2.49) trong đó hàm Q( x) được xác định bởi công thức [70]. 1 1 Q( x)  e ( x /2)  e (4 x /6) . 2 2 (2.50) 12 4 2.6. Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống FSO với tham số ASER 2.6.1. Hệ thống chịu ảnh hƣởng của nhiễu loạn khí quyển Các thông số đánh giá hiệu năng của hệ thống được cung cấp ở bảng 2.2 7
Bảng 2.2. Các thông số đánh giá hệ thống Thông số Ký hiệu Giá trị Bước sóng ánh sáng  1550 nm Hệ số chuyển đổi quang-điện  1A/W Hệ số điều chế  1 -7 Mật độ phổ công suất nhiễu N0 10 W/Hz Biên độ tín hiệu đồng pha, M I M Q 4  4, 8  4, 8  8 cầu phương Số trạm chuyển tiếp c 0, 1, 2 Tổng khoảng cách kênh 1 km  8 km truyền L 2.6.1.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu Hình 2.5, ASER được khảo sát theo tham số SNR của hệ thống với các giá trị khác nhau của khoảng cách truyền, sử dụng điều chế 8  4 QAM trong môi trường nhiễu loạn khí quyển yếu. 0 10 L = 2000 m c = 1, P AF = 2dB L = 6000 m -1 10 L = 8000 m -2 10 -3 10 c=0 ASER -4 c = 2, P AF = 2dB 10 -5 10 -6 10 -7 10 0 5 10 15 20 25 SNR (dB) 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 8
Kết quả cho thấy rằng khi SNR càng tăng lên thì tỷ lệ lỗi ký tự trung bình càng giảm, ở vùng giá trị lớn của SNR thì ASER giảm mạnh khi SNR tăng. Trong trường hợp cụ thể, tăng khoảng cách kênh truyền từ L  2000 m đến L  6000 m và L  8000 m, giá trị ASER tăng đáng kể ở vùng giá trị lớn, hiệu năng của hệ thống bị suy giảm. Vì vậy, để hệ thống đạt được hiệu năng mong muốn ta cần tăng số trạm chuyển tiếp khi tăng khoảng cách kênh truyền. Ví dụ như với L  6000 m khi tăng số trạm từ c  0 đến c  1 và từ c  1 đến c  2 kết quả SNR giảm tương ứng là 3 dB và 2 dB, tương ứng giá trị ASER  107. 2.6.1.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh 0 10 -1 c=0 10 -2 c=1 10 ASER -3 10 -4 c=2 10 -5 L = 2000 m, P AF = 2dB 10 L = 6000 m, P AF = 2dB L = 8000 m, P AF = 2dB -6 10 0 5 10 15 20 25 30 SNR (dB) 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 Hình 2.7 mô tả sự biến đổi của ASER theo SNR của hệ thống với các giá trị của khoảng cách kênh truyền L  2000 m đến L  6000 m và L  8000 m, sử dụng điều chế 8×4 QAM và hệ số khuếch đại của các trạm chuyển tiếp PAF  2dB. Các kết quả thể hiện hiệu năng của hệ thống được cải thiện khi giảm khoảng cách kênh truyền và tăng số trạm chuyển tiếp. Cụ thể, tại L  6000 m , tăng số trạm chuyển tiếp từ c  0 đến 9
c  1 hoặc từ c  1 đến c  2 , SNR của hệ thống giảm khoảng 5dB tại giá trị ASER  103. 2.6.2. Hệ thống chịu ảnh hƣởng của lỗi lệch tia 2.6.2.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu Hình 2.14 thể hiện sự biến đổi của ASER so với tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR với các giá trị bán kính tia phát 0  0,020 m, 0,022 m, 0,024 m trong trường hợp sử dụng trạm chuyển tiếp c  1 và không có trạm chuyển tiếp c  0 . Từ hình ta thấy rằng càng tăng giá trị SNR thì giá trị của ASER càng giảm, giá trị này giảm mạnh trong vùng giá trị lớn của SNR thì ASER. Các kết quả mô phỏng (phương pháp mô phỏng Monte-Carlo) cho các trường hợp c  1 và c  0 theo các giá trị bán kính tia phát cho thấy sự phù hợp giữa mô hình hệ thống và kết quả tính toán. 0 10 -1 10 -2 c=0 10 ASER -3 c=1 10 -4 10 Theory, o = 0,022 m -5 10 Theory, o = 0,024 m Theory, o = 0,020 m Simulation -6 10 0 5 10 15 20 25 30 SNR (dB) 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 2.6.2.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh Hình 2.16 thể hiện mối quan hệ giữa ASER và độ lệch chuẩn jitter  s với các giá trị trạm chuyển tiếp c  0, 1, 2, trong điều kiện nhiễu loạn từ trung bình đến mạnh, 10
Cn2  3.1014 m-3/2 . Từ các kết quả ta thấy rằng giá trị ASER của hệ thống giảm đáng kể khi tăng số trạm chuyển tiếp, sự thay đổi này càng lớn ở vùng giá trị nhỏ của  s và hầu như không thay đổi nhiều ở vùng giá trị lớn. Ứng với một giá trị nhất định của trạm chuyển tiếp, giá trị của ASER là thấp nhất khi 0  0,022 m. 0 10 c=0 -1 10 -2 10 ASER -3 c=2 10 c=1 -4 10 r = 0,045 m, P AF = 3,5dB r = 0,050 m, P AF = 3,5dB r = 0,055 m, P AF = 3,5dB -5 10 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14  (m) s 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 2.7. Dung lƣợng kênh trung bình 2.7.1. Hệ thống chịu ảnh hƣởng của nhiễu loạn khí quyển Dung lượng kênh truyền của hệ thống được xác định.  C   Blog 2 1     f ( )d , (bit/s/Hz), (2.51) 0 2.7.1.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu Thực hiện tính toán, biến đổi, dung lượng kênh trung bình của hệ thống FSO chuyển tiếp trong trường hợp mô hình kênh L-N được xác định bởi công thức. C 1 C c  C 1 B  (c  1) c     c 1 d  . (2.57) B c 0 c  1 0 B c 0  11
2.7.1.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh Tương tự, dung lượng kênh truyền trung bình của hệ thống FSO chuyển tiếp trong trường hợp mô hình kênh G-G được xác định bởi biểu thức.   C    2 1  B 2 (c  1)       ln  2      2c 2    2c 2  2  , 1  (2.59) 6,1  ( ) . 4 4 G2,6  16        2        2 c  2     2 c  2   4 , 4 , 4 , 4 , 4  2.7.2. Hệ thống chịu ảnh hƣởng của lỗi lệch tia 2.7.2.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu Với hệ thống FSO kết hợp kênh truyền MIMO, dung lượng kênh của hệ thống được xác định bởi biểu thức (1.53) Dung lượng kênh trung bình của hệ thống trong trường hợp mô hình kênh L-N được xác định. C  2  eb  2 d 1  (1) k 1 1 B   2 ln 2  (c  1)( A0 X l )  0,5 2 2   k 1 k  2   2k  2   t  exp(  2k  2)erfc( 2 )  2 I 1 2 2  t   exp (  I (  2k  2) 2 erfc( I ( 2  2k  2)  ) . 2 2 2 I  (2.64) 2.7.2.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh Dung lượng kênh truyền trung bình của hệ thống trong trường hợp mô hình kênh G-G được xác định như sau:    2 c 1 C 1  B (c  1)( A0 X l )       2 ln  2   (2.68)    1,  2  G3,5  5,1 .  A0 X l  1,  1,   1,   1  c,   1  c  2 12
2.7.3. Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống FSO với tham số ACC 2.7.3.1. Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển Hình 2.19 mô tả sự biến đổi của ASE theo SNR của hệ thống với các giá trị khác nhau của số trạm chuyển tiếp, và khoảng cách kênh truyền L = 2000 m, hệ số khuếch đại của mỗi trạm chuyển tiếp PAF  2 dB. Ta thấy rằng ASE phụ thuộc mạnh vào mức độ nhiễu loạn không khí và tăng số trạm chuyển tiếp, sự ảnh hưởng này trở nên mạnh hơn khi khoảng cách kênh truyền càng lớn. 6 5 c = 0, 1, 2, P AF = 2 dB 4 ASE (b/s/Hz) 3 2 C2n = 3 10-14 m-2/3 1 C2n = 9 10-15 m-2/3 L = 2000 m,  = 1500 nm C2n = 1 10-15 m-2/3 0 0 10 20 30 40 50 60 SNR (dB) 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 2.7.3.2. Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia Hình 2.23 mô tả sự biến đổi của ASE theo SNR của hệ thống với các giá trị khác nhau của độ lệch chuẩn,  s  0,1, 0, 2 , 0, 25, tương ứng với ba giá trị khác nhau của tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ Cn2  1015 m2/3 , Cn2  9 1015 m2/3 Cn2  3 1014 m2/3 , và khoảng cách kênh truyền L  2000 m. Kết quả chỉ ra rằng ASE giảm khi lỗi lệch tia tăng lên, và tại mỗi giá trị của lệch tia sự phụ thuộc của 13
ASE vào mức độ nhiễu loạn là bé, ASE phụ thuộc mạnh vào mức độ nhiễu loạn khí quyển. 6 s = 0,1 m 5 s = 0,2 m 4 ASE (b/s/Hz) 3 2  = 0,25 m C2n=310-14 m-2/3 s 1 C2n=910-15 m-2/3 C2n=110-15 m-2/3 0 0 10 20 30 40 50 60 SNR (dB) Hình 2.23. ASE biến đổi theo SNR với các giá trị khác nhau của độ lệch chuẩn,  s trong điều kiện nhiễu loạn từ yếu đến mạnh, khoảng cách kênh truyền L = 2000 m 2.8. Kết luận chƣơng 2 Chương 2 đã trình bày đóng góp của nghiên cứu sinh trong việc xây dựng mô hình giải tích khảo sát hiệu năng và giải pháp cải thiện hiệu năng của hệ thống thông tin quang không dây FSO. Kết quả khảo sát hiệu năng cho thấy rằng, kỹ thuật chuyển tiếp giúp cải thiện đáng kể hiệu năng và cự ly truyền dẫn của hệ thống. Việc thiết lập các tham số thông thường, tham số hệ số khuếch đại của trạm chuyển tiếp được xác định để đạt được cự ly truyền dẫn và giá trị hiệu năng yêu cầu. CHƢƠNG 3 GIẢM ẢNH HƢỞNG CỦA LỆCH TIA LÊN HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG FSO CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG KỸ THUẬT MIMO 3.1. Giới thiệu chƣơng Nội dung của chương này trình bày đóng góp của nghiên cứu sinh trong việc đề xuất mô hình và giải pháp cải thiện hiệu năng hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật phân tập 14
không gian MIMO và điều chế SC-QAM. Với hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật phân tập không gian MIMO [C1], nghiên cứu sinh đã xây dựng mô hình giải tích khảo sát hiệu năng của hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển [J1], [C2] và chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia [J2], [J3], [C1]. 3.2. Hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng phân tập MIMO Hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật MIMO được thể hiện như Hình 3.1. Hình 3.1. Hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật MIMO Tín hiệu điện tại đầu ra của bộ giải điều chế M  N QAM của hệ thống M  N FSO sử dụng c trạm chuyển tiếp được xác định: M N c  c M N  re  t   Ps e(t )    Xi 1 mni 1Pi      i 0  m 1 n 1 vmn  (t ) , (3.1) i  m1 n 1 i 0  3.3. Mô hình trạng thái kênh truyền Trạng thái kênh truyền X của hệ thống như đã xét trong phần 2.3, mô hình trạng thái kênh được xác định bởi công thức (2.7). 3.4. Tổng hợp biến đổi tín hiệu cho toàn hệ thống 3.4.1. Hệ thống chịu ảnh hƣởng của nhiễu loạn khí quyển 15
Hàm mật độ xác suất SNR cho trường hợp phân bố L-N.  c21  1      2  f Γmn   mn    exp  ln  mn 2  + I  8 I . (3.6) 2  c 1  (c  1) 2  2     mn    mn I   Hàm mật độ xác suất SNR cho trường hợp phân bố G-G.  c 1      c 1 1  2    mn  G0,2    ,   . (3.8) 2,0 fΓ   mn   c  1 Γ   Γ     mn  2 mn mn   mn  3.4.2. Hệ thống chịu ảnh hƣởng của lỗi lệch tia 3.4.2.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu Phân bố xác suất SNR của hệ thống đối với phân bố L-N.    mn    2 1  0,5ln  2 2 a  2   mn  X l A0  mn   . c1 0,5 2 1 b  f Γmn   mn   e  erfc  2 0,5 2   2 I    2(c  1)( A0 X l )  mn       (3.10) trong đó, ta đã đặt b   I2 ( 2  c){1  ( 2  c)}/ 2. 3.4.2.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh Phân bố xác suất SNR của hệ thống đối với phân bố G-G. c 1  ( ) 2 c 1 1 f Γ ( mn2 )  mn (c  1)( A0 X l )( )(  ) 2 mn   (3.12) ( mn / mn )0.5  2 3,0  . G1,3   A0 X l   1,  1  c,   1  c  2  3.5. Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình được tính theo công thức.   MIMO P se  2q( M I ) Q( AI  ) f  ()d   2q( M Q ) Q( AQ  ) f  ()d      4q( M I )q( M Q ) Q( AI  )Q( AQ  ) f  ()d ,  (3.14) 16
3.6. Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống FSO với tham số ASER Các thông số đánh giá được cung cấp ở Bảng 2.2. 3.6.1 Hệ thống chịu ảnh hƣởng của nhiễu loạn khí quyển 3.6.1.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu Hình 3.5 thể hiện sự biến đổi của ASER theo SNR đối với cấu hình SISO, 2  2 và 4  4 với khoảng cách kênh truyền L  6000 m, sử dụng điều chế 8  4 QAM. Từ hình vẽ ta có thể thấy rằng, khi tăng khoảng cách kênh truyền lên L  6000 m thì sự thay đổi của ASER theo cấu hình MIMO và số trạm chuyển tiếp sẽ thấp hơn trong trường hợp L  2000 m . 0 10 c=0 -1 c = 1, P AF = 2dB 10 c = 2, P AF = 2dB -2 10 -3 10 ASER -4 SISO 10 -5 10 -6 10 2x2 MIMO -7 10 4x4 MIMO -8 10 0 5 10 15 20 25 30 SNR (dB) 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 3.6.1.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh Hình 3.6 mô tả ASER của hệ thống biến đổi theo SNR. So sánh và đánh giá giữa hệ thống 2  2 , 4  4 và SISO, khoảng cách kênh truyền L  6000 m, số trạm chuyển tiếp c  0, 1, 2 được sử dụng với hệ số khuyếch đại PAF  2 dB. Ta thấy rằng hiệu năng của hệ thống cải thiện đáng kể khi tăng trạm chuyển tiếp và cấu hình MIMO của hệ thống. Cụ thể, với khoảng cách 17
kênh truyền L  6000 m , cấu hình 4  4 FSO khi tăng trạm chuyển tiếp từ c  0 đến c  1 thì SNR giảm tương ứng 2  3 dB từ c  1 đến c  2 giảm 7  8 dB tại giá trị ASER  106. 0 10 c=0 -1 10 -2 c=1 10 ASER -3 10 c=2 -4 10 -5 4x4 MIMO, P AF = 2dB 10 2x2 MIMO, P AF = 2dB SISO, P AF = 2dB -6 10 0 5 10 15 20 25 30 SNR (dB) 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 3.6.2. Hệ thống chịu ảnh hƣởng của lỗi lệch tia 3.6.2.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu Từ Hình 3.8 ta thấy rằng, ASER của hệ thống phụ thuộc lớn vào các tham số đường truyền trong miền giá trị bé của lỗi lệch tia  s , trong miền giá trị lớn của  s sự phụ thuộc này là không đáng kể. Trong miền giá trị bé của  s , ASER giảm mạnh nếu ta thay đổi cấu hình của hệ thống từ SISO lên 2  2 và 4  4 , và số trạm chuyển tiếp. Việc kết hợp cấu hình MIMO với các trạm chuyển tiếp cho ta sự thay đổi đa dạng hơn giữa các thông số của hệ thống, trong từng trường hợp cụ thể mà ta có thể sử tăng trạm chuyển tiếp và giảm cấu hình MIMO hoặc ngược lại, từ đó xác định được các cấu hình tối ưu cho hệ thống, đặc biệt là trong miền giá trị lớn của lỗi lệch tia. 18