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
FSO
Free-Space Optics
Truyền thông quang trong không
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
IM/DD
Intensity Modulation with Direct
Detection
Điều chế cường độ tách sóng trực
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
QAM
Quadrature Amplitude
Modulation
Điều chế biên độ cầu phương
RV
Random Variable
Biến ngẫu nhiên
RF
Radio Frequency
Tần số vô tuyến
Scanning and Selection
Bộ tổ hợp theo kiểu quét và lựa
Combining
chọn
SC-PPM
Subcarrier – Pulse Position
Modulation
Điều chế vị trí xung sóng mang
con
SC-PSK
Subcarrier – Phase-shift Keying
Điều chế khóa dịch pha song
mang con
SC
SC-QAM
Subcarrier – Quadrature
Điều chế biên độ cầu phương
sóng mang con
Amplitude Modulation
SIM
Subcarrier Intensity Modulation
Điều chế cường độ sóng mang
con
SISO
Single-Input Single-Output
Một đầu vào một đầu ra
SLC-Day
Submarine Laser Communication
Day Model
Mô hình SCL-Day
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-OfSight_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
- Xem thêm -