See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/316430867
EVALUATE THE ATMOSPHERIC TURBULENCE
OF FSO CHANNELS THROUGH REFRACTIVEINDEX...
Article · November 2016
CITATIONS
READS
0
44
1 author:
Duong Huu Ai
Hanoi University of Science and Technology
10 PUBLICATIONS 2 CITATIONS
SEE PROFILE
Some of the authors of this publication are also working on these related projects:
Free-space communications View project
All content following this page was uploaded by Duong Huu Ai on 24 April 2017.
The user has requested enhancement of the downloaded file.
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HỮU NGHỊ VIỆT - HÀN
ĐÁNH GIÁ SỰ HỖN LOẠN KHÔNG KHÍ
CỦA KÊNH TRUYỀN FSO THÔNG QUA THAM SỐ
CẤU TRÚC KHÚC XẠ CỦA MỘT SỐ MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
EVALUATE THE ATMOSPHERIC TURBULENCE
OF FSO CHANNELS THROUGH REFRACTIVE-INDEX
STRUCTURE PARAMETER OF SOME EXPERIMENTAL MODELS
Dương Hữu Ái
Trường Cao đẳng CNTT Hữu nghị Việt - Hàn, Khoa CNĐT - VT;
[email protected]
Tóm tắt
Về cơ bản, một kênh truyền thông tin quang trong không gian tự do (Free-Space Optical
communication) sẽ chịu sự suy hao trong khí quyển, hỗn loạn không khí và lỗi lệch tia. Trong đó
hỗn loạn không khí là vấn đề gây ảnh hưởng lớn nhất đến hoạt động của một tuyến thông tin
quang trong không gian tự do, các yếu tố gây nên sự hỗn loạn không khí là ngẫu nhiên và bất
định, vì vậy để xác định mức độ hỗn loạn ta dựa vào một số mô hình thực nghiệm. Nghiên cứu này
giới thiệu một số đánh giá sự hỗn loạn không khí của kênh truyền FSO thông qua tham số cấu
trúc khúc xạ của một số mô hình thực nghiệm. Hơn nữa, thông qua các mô hình thực nghiệm tác
giả đã đánh giá sự hỗn loạn của không khí đối với kênh truyền FSO với điều kiện khí hậu ở thành
phố Đà Nẵng.
Từ khóa: FSO, tham số cấu trúc khúc xạ, nhiễu loạn khí quyển, mô hình thực nghiệm.
Abstract
Basically, Free-space Optical communication channel is subjected to atmospheric
attenuation, atmospheric turbulence and misalignment fading. Among these parameters, the
atmospheric turbulence caused critical impact to the operation of free-space optical
communication because of its randomness and uncertainty. In order to determine the level of
turbulence, we rely on some experimental models. This paper introduces an evaluation of the
atmospheric turbulence of FSO channel through refractive-index structure parameter of some
experimental models. Moreover, through the experimental models, author evaluated the
atmospheric turbulence of FSO channels according to weather conditions in the Da Nang City.
Key words: FSO, refractive-index structure parameter, atmospheric turbulence,
experimental models.
57
CHUYÊN ĐỀ KHOA HỌC VÀ GIÁO DỤC - 06 (11-2016)
1. Giới thiệu về hỗn loạn khí quyển
Hỗn loạn không khí là vấn đề gây ảnh hưởng lớn nhất đến hoạt động của một tuyến thông
tin quang trong không gian tự do. Khi bức xạ từ mặt trời đến trái đất, một phần sẽ bị hấp thụ bởi
bề mặt trái đất, lớp không khí gần mặt đất hơn có mật độ lớn hơn nên sẽ hấp thụ nhiều nhiệt tỏa ra
từ trái đất và bức xạ mặt trời hơn nên sẽ có nhiệt độ cao hơn lớp không khí ở trên. Không khí có
nhiệt độ cao hơn sẽ nhẹ hơn và bay lên gặp lớp không khí có nhiệt độ thấp hơn và hòa trộn một
cách hỗn loạn với nhau, gây nên sự dao động về nhiệt độ của các lớp không khí khác nhau. Chính
sự thay đổi về nhiệt độ này là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi về chiết suất của các lớp không
khí trong khí quyển. [1]. Vì vậy, kênh truyền hỗn loạn không khí rất dễ thay đổi, khó dự đoán,
chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của các điều kiện thời tiết gây nên sự dao động cả về pha lẫn cường độ
của bức xạ quang trong quá trình truyền lan trên kênh truyền. Kết quả là sự hỗn loạn không khí có
thể gây nên tỷ lệ lỗi rất lớn do sự dao động của tín hiệu thu được.
Hình 1. Sơ đồ hệ thống FSO với sự sự hỗn loạn không khí [6]
Những ảnh hưởng của hỗn loạn không khí đến kênh truyền hệ thống FSO bao gồm:
- Lệch tia: Tia bức xạ quang do ảnh hưởng của hỗn loạn không khí bị lệch khỏi đường
truyền thẳng ban đầu của nó. Điều này khiến máy thu gặp khó khăn khi thu bức xạ quang và có
thể là hoàn toàn không thu được khi bức xạ quang bị lệch quá mức.
- Sự trôi búp: Tâm của tia thu được bị di chuyển trên mặt phẳng thu của màn chắn thu do sự
thay đổi về góc tới của tia sáng.
- Chùm tia bị phân kỳ: Độ phân kỳ của chùm tia bức xạ bị tăng lên do hiện tượng tán xạ,
điều này dẫn tới sự suy giảm về mật độ công suất của bức xạ thu.
- Sự nhấp nháy: Sự nhấp nháy là sự biến đổi về không gian của cường độ sáng gây ra bởi sự
hỗn loạn không khí. Sự thay đổi nhiệt độ và gió tạo ra những “túi khí” có mật độ thay đổi nhanh
dẫn tới sự thay đổi nhanh chỉ số chiết xuất, đó chính là nguyên nhân gây ra sự nhấp nháy. Các “túi
khí” này đóng vai trò như những thấu kính có đặc tính thay đổi theo thời gian và làm tỷ lệ lỗi của
các hệ thống FSO tăng mạnh, đặc biệt là khi có ánh sáng mặt trời.
58
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HỮU NGHỊ VIỆT - HÀN
- Sự thay đổi phân cực: Khi tia bức xạ đi qua môi trường hỗn loạn, trạng thái phân cực của
tia bức xạ sẽ bị thay đổi, tuy nhiên với tia bức xạ phân cực ngang, sự thay đổi về trạng thái phân
cực này có thể bỏ qua.
2. Tham số cấu trúc khúc xạ
Hỗn loạn không khí gây nên sự dao động ngẫu nhiên của chiết suất trên quãng đường truyền
của bức xạ quang, sự thay đổi ngẫu nhiên này phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, độ cao tốc độ gió,
bức xạ mặt trời…. Tham số quan trọng thể hiện cường độ dao động của chiết suất đó là tham số
2
cấu trúc khúc xạ Cn với đơn vị m -2/3 .
Trong hỗn loạn không khí, tham số qua trọng để xác định sự biến đổi của sự khúc xạ đó là
2
tham số cấu trúc khúc xạ Cn , giá trị của tham số này thay đổi từ 10 12 (m -3/2 ) cho trường hợp hỗn
loạn mạnh tới 10 17 (m -3/2 ) cho trường hợp hỗn loạn yếu. Sự thay đổi của các thành phần không
2
khí là ngẫu nhiên, vì vậy giá trị Cn được xác định qua các mô hình thực nghiệm.
Nhiều tác giả đã thực hiện các thực nghiệm để xác định tham số cấu trúc khúc xạ, và đã đề
xuất được các mô hình thực nghiệm như SLC-Day, HV-Day, HV-Night, Greenwood. Sự thay đổi
của tham số cấu trúc khúc xạ theo độ cao được thể hiện như hình 02, mô hình SLC-Day phù hợp
với truyền thông sử dụng tia laser, mô hình HV-Day phù hợp với điều kiện khí hậu đất liền vào
ban ngày, mô hình HV-Night phù hợp với điều kiện khí hậu đất liền vào ban đêm, mô hình
Greenwood phù hợp cho các đài thiên văn khám phá vũ trụ đặt trên các đỉnh núi. So sánh tham số
2
cấu trúc khúc xạ của tất cả bốn mô hình, giá trị của Cn vào ban ngày là cao hơn ban đêm và giảm
dần theo độ cao.
- Mô hình SLC-Day (Submarine Laser Communication Day Model):
1,700 1014
13 1,054
4,008 10 h
2
Cn (h) 1,300 1015
7 2,966
6,352 10 h
6, 209 1016 h0,6229
0m h 19m
19m h 230m
230m h 850m
(1)
850m h 7000m
7km h 20km
- Mô hình HV-Day (Hufnagel-Valley Day):
2
v
2
Cn (h) Ae h/100 5,94 1053 h10eh/1000 2,7 1016 eh/1500
27
(2)
- Mô hình HV-Night (Hufnagel-Valley Night):
2
Cn (h) 1,9 1015 e h /100 8,16 1054 h10 e h /1000 3,02 1017 e h/1500
(3)
- Mô hình Greenwood:
59
CHUYÊN ĐỀ KHOA HỌC VÀ GIÁO DỤC - 06 (11-2016)
2
Cn (h) 2,2 1013 (h 10)1,3 4,3 1017 e h/1500
(4)
2
Trong các mô hình trên Cn (m-3/2 ) là tham số cấu trúc chiết suất, h (m) là độ cao so với
mặt đất, v (m/s) là vận tốc gió. Các mô hình trên được thể hiện trực quan bởi hình 2, với mô hình
HV-Day giá trị A 1,7 1014 m -2/3 và vận tốc gió v 5,3m/s (vận tốc gió trung bình vào tháng
06 ở thành phố Đà Nẵng, Việt Nam).
Hình 2. Tham số cấu trúc chiết suất 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
2
Các mô hình SLC-Day, HV-Day, HV-Night, Greenwood thể hiện sự thay đổi của Cn theo
độ cao mà không thể hiện được sự thay đổi theo điều kiện khí hậu cụ thể của từng vùng miền.
Sadot và Kopeika [4] đã phát triển một mô hình thực nghiệm để ước lượng các tham số cấu trúc
khúc xạ từ các phép đo điều kiện khí hậu cụ thể từ các vùng miền khác nhau. Mô hình này xác
2
định giá trị Cn phụ thuộc vào điều kiện không khí (nhiệt độ, độ ẩm tương đối, thông lượng mặt
trời, vận tốc gió) của các giờ trong ngày, đạt giá trị cao nhất vào buổi trưa và đạt giá trị thấp nhất
vào lúc bình minh hoặc hoàng hôn.
60
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HỮU NGHỊ VIỆT - HÀN
2
C n 3,8 10 14 Wt h 2 10 15 T 2,8 10 15 RH 2,9 10 17 RH 2
1,1 10 19 RH 3 2,5 10 15 W S 1, 2 10 15 W S 2
8,5 10 17 W S 3 5,3 10 13
(5)
Trong đó Wth là trọng số của từng khoảng thời gian và được xác định trong Bảng 1. T là
nhiệt độ Kelvins, RH (%) là độ ẩm tương đối, và WS (m /s ) là tốc độ gió vuông góc với phương
truyền của bức xạ quang.
Bảng 1. Trọng số Wth tương ứng với các khoảng thời gian
Khoảng thời gian (giờ)
Wth
Từ
3
0,11
12
13
1,00
3
4
0,11
13
14
0,90
4
5
0,07
14
15
0,80
5
6
0,08
15
16
0,59
6
7
0,06
16
17
0,32
7
8
0,05
17
18
0,22
8
9
0,10
18
19
0,10
8
10
0,51
19
20
0,08
10
11
0,75
Trên
20
0,13
11
12
0,95
Khoảng thời gian (giờ)
Wth
0,13
Mô hình cải tiến của mô hình xác định bởi (10), trong mô hình này có thêm yếu tố tác động
của bức xạ mặt trời vuông góc với phương của kênh truyền được xác định bởi đại lượng thông
lượng mặt trời SF (kW / m 2 ), và tổng diện tích mặt cắt ngang của các hạt khí TCSA. Mô hình này
được xác định bởi biểu thức sau:
2
Cn 5,9 1015 Wth 1,6 1015 T 3,7 10 15 RH 6,7 10 17 RH 2
3,9 10 19 RH 3 3,7 10 15 WS 1,3 10 15 WS 2
8, 2 1017 WS 3 2,8 1014 SF 1,8 10 14 TCSA
1,4 1014 TCSA2 3,9 1013
(6)
Trong đó, SF (kW / m 2 ) là thông lượng mặt trời, và TCSA là tổng diện tích mặt cắt ngang
của các hạt khí, và được xác định bởi biểu thức [5].
TCSA 9,96 104 RH 2,75 105 RH 2 4,86 107 RH 3
4,48 109 RH 4 1,66 10 11 RH 5 6, 26 10 3 ln RH
8, 2 1017 WS 3 2,8 1014 SF 1,8 1014 TCSA
1,37 105 SF 4 7,30 10 3
(7)
61
CHUYÊN ĐỀ KHOA HỌC VÀ GIÁO DỤC - 06 (11-2016)
3. Tham số cấu trúc khúc xạ với điều kiện khí hậu thành phố Đà Nẵng
Sử dụng các công thức của các mô hình thực nghiệm (5), (6) để xác định tham số cấu trúc
khúc xạ với điều kiện khí hậu vào một ngày tháng 6 của thành phố Đà Nẵng. Các số liệu về điều
kiện không khí được lấy tại Trạm khí tượng Đà Nẵng. Các giá trị về nhiệt độ, độ ẩm, thông lượng
mặt trời và vận tốc gió là giá trị trung bình trong khoảng thời gian nhất định, vì vậy giá trị của
tham số cấu trúc khúc xạ là giá trị trung bình tại từng khoảng thời gian.
Biến trình ngày của nhiệt độ không khí được thu thập bởi đài khí tượng thành phố Đà Nẵng
được thể hiện như Bảng 2.
Bảng 2. Biến trình ngày của nhiệt độ không khí (tháng 06) trạm Đà Nẵng
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
26,7
26,5
26,4
26,3
26,2
26,4
27,9
29,7
31,1
32,3
32,8
33,0
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
32,8
32,4
31,7
30,9
30,1
29,2
28,5
28,1
27,8
27,5
27,3
27,0
Giờ
Nhiệt
độ (K)
Giờ
Nhiệt
độ (K)
Biến trình ngày của độ ẩm tương đối của không khí được cho bởi bảng 3.
Bảng 3. Biến trình ngày của độ ẩm tương đối của không khí (tháng 06) trạm Đà Nẵng
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Độ ẩm (%)
86
87
87
87
87
87
80
72
65
61
60
60
Giờ
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
Độ ẩm (%)
61
63
66
70
74
78
81
82
83
84
85
86
Giờ
Biến trình ngày của thông lượng mặt trời được cho bởi bảng 4, các giờ còn lại trong ngày
giá trị thông lượng bằng không. Thông lượng mặt trời trung bình tháng 06 tại thành phố Đà Nẵng
là 2,668kW/m2, của năm là 2,400kW/m2.
Bảng 4. Biến trình ngày của thông lượng mặt trời (tháng 06) trạm Đà Nẵng
6
Giờ
2
SF(W/m )
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
97,8 175 180 161 137 119 113 119 137 161 180 175 97,8
Vận tốc gió là đại lượng luôn biến đổi, và tùy thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau và được
xác định bằng giá trị trung bình trong tháng mà không xác định từng giờ. Vận tốc gió trung bình
của Đà Nẵng tháng 06 là 1,2 m/s.
Dựa vào các số liệu cho bởi các bảng trên, kết hợp với hai mô hình xác định bởi (5), (6), chỉ
số cấu trúc khúc xạ thay đổi theo các giờ trong ngày được thể hiện như hình 03. Từ hình vẽ ta
thấy rằng giá trị trung bình của tham số cấu trúc khúc xạ đạt giá trị lớn nhất (hỗn loạn mạnh nhất)
vào buổi trưa và giá trị này giảm dần lúc bình minh và lúc hoàng hôn. Sự hỗn loạn không khí xét
62
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HỮU NGHỊ VIỆT - HÀN
theo mô hình 1 sẽ yếu hơn mô hình 2 lúc bình minh và hoàng hôn nhưng lại mạnh hơn lúc buổi
2
2
trưa. Hiệu năng của hệ thống càng tốt khi giá trị Cn càng thấp, vì vậy dựa vào sự thay đổi của Cn
theo các giờ trong ngày ta có thể đánh giá được hệ thống làm việc tốt hay không tốt vào từng
khoảng thời gian cụ thể.
Hình 3. Tham số cấu trúc khúc xạ theo các giờ trong ngày được xác định từ dữ liệu từ trạm khí
tượng thu thập được vào tháng 06 tại thành phố Đà Nẵng, Việt Nam
4. Kết luận
Nghiên cứu đã giới thiệu một số mô hình thực nghiệm nhằm đánh giá sự hỗn loạn không
khí của kênh truyền thông tin quang trong không gian tự do thông qua tham số cấu trúc khúc xạ.
Tác giả đã dựa vào các mô hình SLC-Day, HV-Day, HV-Night, Greenwood để đánh giá sự hỗn
loạn khí quyển thay đổi theo độ cao, đồng thời giới thiệu mô hình thực nghiệm (5), (6) để ước
lượng tham số cấu trúc khúc xạ từ các phép đo điều kiện khí hậu cụ thể từ các vùng miền khác
nhau. Tác giả đã đánh giá sự thay đổi của tham số cấu trúc khúc xạ theo các giờ trong ngày từ các
số liệu của điều kiện khí hậu vào một ngày tháng sáu ở thành phố Đà Nẵng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] W. K. Pratt (1969), “Laser Communication Aystems”, 1st ed. New York: John Wiley & Sons,
Inc.
63
CHUYÊN ĐỀ KHOA HỌC VÀ GIÁO DỤC - 06 (11-2016)
[2] S. F. Clifford, Ed. (1978), “The Classical Theory of Wave Propagation in a Turbulent
Medium (Laser Beam Propagation in the Atmosphere)”, Berlin: Springer-Verlag.
[3] S. Karp, R. M. Gagliardi, S. E. Moran and L. B. Stotts (1998), “Optical Channels: Fibers,
Clouds, Water and the Atmosphere”, New York: Plenum Press.
[4] D. Sadot and N. S. Kopeika (1992), “Forecasting optical turbulence strength on the basis of
macroscale meteorology and aerosols: models and validation”, Opt. Eng., vol. 31, no. 31, pp.
200–212.
[5] Y. Yitzhaky, I. Dror, and N. S. Kopeika (1997), “Restoration of atmospherically blurred
images according to weather-predicted atmospheric modulation transfer functions,” Opt.
Eng., vol. 36, no. 11, pp. 3064–3072.
[6] Z. Ghassemlooy, W. Popoola, S. Raibhandari (2012), “Optical Wireless Communications:
System and Channel Modelling with Matlab”, International Standard Book Number-13: 9781-4398-5235-4.
[7] Ricardo Barrios (2013), “Exponentiated Weibull Fading Channel Model in Free-Space
Optical Communications under Atmospheric Turbulence”, Ph.D. Dissertation, Departament
de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya. Barcelona,
Spain.
64
View publication stats
.PDF 
9 
107 
85 
