Hệ thống FSO với bộ thu phát cấu trúc cầu
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.4 MB, 61 trang )
Đồ án tốt nghiệp Đại học
MỞ ĐẦU
!"# !$
%&!$' ()*()+,+-
."/01%!2%345465
7'89:;<<5
1=2">21?!3454
657'@%;<!$,,
@)AB*)++A+B'-?C@'D%D
?E"
F 2 )AB&'@G%.?H!@IBA*I+
J'-'@01+10K"F535
!$&335L54@&IBAK,
">&M+@N!O )AB2KP3Q
2!P)AB2'89 23
?C;<R3!<L&05P"S
TMB)UVWX0+' @Y?C!M
2Z?C'8973 3R5
4%J[34\"
] 9.G?C^?E_
`?Ea_/7,!)AB
`?Eaa_`KP.3 )AB
`?Eaaa_V&04
A3?E'DMb'@!"
UL'@%!H@[0!c1
'L"(KL'@L6.3%N"d5Ee
Nguyễn Việt Phương – D0VT3 1
Đồ án tốt nghiệp Đại học
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của cô Ngô Thị
Thu Trang – Bộ môn Hệ thống và Tín hiệu – Khoa Viễn thông 1 – Học viện Công
nghệ Bưu chính Viễn thông.
Trong suốt thời gian thực hiện đồ án, mặc dù rất bận rộn trong công việc nhưng
cô vẫn giành rất nhiều thời gian và tâm huyết trong việc hướng dẫn em.Cô đã cung cấp
cho em rất nhiều hiểu biết về mọi lĩnh vực mới khi em mới bắt đầu bước vào việc thực
hiện đồ án. Trong quá trình thực hiện đồ án cô luôn định hướng, góp ý và sửa chữa
những chỗ sai giúp em tránh được những lỗi diễn đạt, những hiểu lầm về nội dung .
Cho đến hôm nay, luận văn tốt nghiệp của em đã được hoàn thành, cũng chính
là nhờ sự nhắc nhở, đôn đốc, sự giúp đỡ nhiệt tình của cô.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Viễn thông 1, cũng như
các thầy cô trong trường đã giảng dạy, giúp đỡ chúng em trong 4 năm học qua. Chính
các thầy cô đã xây dựng cho chúng em những kiến thức nền tảng và những kiến thức
chuyên môn để em có thể hoàn thành đồ án này cũng như những công việc của mình
sau này.
Và đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới gia đình, người thân, bạn bè
đã cổ vũ động viên, tiếp cho em thêm nghị lực để hoàn thành đồ án tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Việt Phương
Nguyễn Việt Phương – D0VT3 2
Đồ án tốt nghiệp Đại học
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………….
Điểm:…….(Bằng chữ:………… )
Ngày……tháng……năm
Giáo viên hướng dẫn
ThS. Ngô Thị Thu Trang
Nguyễn Việt Phương – D0VT3 3
Đồ án tốt nghiệp Đại học
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………….
Điểm:…… (Bằng chữ:………….)
Ngày……tháng…….năm……
Giáo viên phản biện
Nguyễn Việt Phương – D0VT3 4
Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục
MỤC LỤC
Nguyễn Việt Phương – D08VT3 5
Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục bảng, biểu
DANH MỤC BẢNG, BIỂU
Nguyễn Việt Phương – D08VT3 6
Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục hình vẽ
Nguyễn Việt Phương – D08VT3 7
Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục hình vẽ
DANH MỤC HÌNH VẼ
Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục từ viết tắt
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
fgU f+g+ g+,
fhiS f+h+i''S'+ S[i'';
]j( ]j(+ /k3l
]jg ]jg33 d'K3l
U]( U'3+](+m+ I'+3 5n%]
U)] U'3+)++3I'+ I'+3 G
UAI UA33+I+ F?H03'
joB j+oB Fop
jU)f j3U+)3+fm+ ]%,'C
j3
)j` )qj`+ A8l?2
))/ )')+/'J ]7)+
)B> )+J>+q /?H&K
)AB )++A+B' /!,,
@
)hV )hJVn FR8@
%
a))/ a+'+)')+/'J ]7)+?C
aVoUU a+'VoU+
U++
F!?Ho/'L
@
aVU a+rVU' VX!
IfS If+S+q V%93
I'+ I3A+
j''J(
s%'3t
n%::
IjU IjU+ U+n%'
IU I'+U+ I'++
IVUA IVU'3
A++
Ub9 9
3
IBA I+JA F?H&K
VfS V+f+S+q V%b
Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục từ viết tắt
V/]) V+/+]+q++)+' /H3&1
l
BVa BVa+n `u' !,
B)UV B)+,+U'
V+n
iX0+'
@
gU g++ ]'L,
gU) g33U+') Mn'K
gAs g'+AJs+ sLb
pfV pf+V F!30?E
() ()+,+ /'
Aa Aa+n `u' K
>`AjI >+r'J+r+
'+
I'+n%<
?RN
hUV h++U'V+n iX0+3?2
'L
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I: Tổng quan về FSO
Chương I: Tổng quan về FSO
1.1. Lịch sử của FSO
Truyền quang qua không gian tự do (FSO) hay giao tiếp quang không dây được
giới thiệu lần đầu bởi Alexander Graham Bell ở cuối thế kỷ 19. Thí nghiệm FSO của
Bell đó là ông đã chuyển đổi tín hiệu âm thanh (giọng nói) thành tín hiệu điện thoại và
phát chúng giữa các bộ thu phát qua không gian tự do dọc theo một luồng sáng trong
khoảng cách khoảng 183m. Thiết bị thí nghiệm của ông được gọi là “photophone”,
Bell coi trọng công nghệ quang này hơn là điện thoại – phát minh vĩ đại của ông vì
công nghệ này không cần đến dây dẫn cho việc truyền tín hiệu.
Mặc dù photophone của Bell không bao giờ được đưa vào thương mại hóa
nhưng nó đã giải thích các đặc tính cơ bản của truyền thông quang không dây. Sau
này, vào thời gian đầu, các công nghệ FSO xuất hiện lần đầu tiên vào những năm 1960
trong các dự án liên quan đến quan sự và không gian (NASA). Đến cuối những năm
1980, những sản phẩm thương mại đã xuất hiện nhưng không thành công vì những rào
cản công nghệ. Cự lý ngắn, dung lượng thấp, vấn đề về giữ thẳng hàng giữa bộ phát và
bộ thu cũng như những thách thức về thời tiết, môi trường truyền dẫn là những hạn chế
chính của hệ thống FSO vào thời điểm đó.
1.2. Động lực phát triển FSO
1.2.1. FSO – truyền dẫn không dây ở tốc độ ánh sáng
Khác các hệ thống không dây thông thường, FSO là một công nghệ truyền
quang qua không gian tự do. Ưu điểm của hệ thống này khi sử dụng là không yêu cầu
phải đăng ký phổ hay phối hợp tần số với những nhà khai thác khác, đồng thời nhiễu
giữa các thiết bị được hạn chế. Một ưu điểm nữa đó là tín hiệu laser điểm – điểm rất
khó để can thiệp, vì thế tính bảo mật cao. Tốc độ dữ liệu có thể so sánh với truyền dẫn
qua sợi quang và tỉ lệ lỗi thấp. Ngoài ra việc sử dụng những chùm laser có độ rộng phổ
hẹp đảm bảo cho khả năng lắp đặt nhiều các bộ thu, phát ở cùng một địa điểm.
1.2.2. Tại sao cần FSO?
Hiện nay các nhà cung cấp dịch vụ không ngừng đưa ra các ứng dụng nên nhu
cầu về dịch vụ băng thông rộng ở trong các mạng đô thị là rất lớn. Tuy nhiên, sự chênh
lệch về tốc độ truyền dẫn giữa mạng lõi và mạng truy nhập đã tạo ra một sự mất cân
bằng. Sự mất cân bằng này thường được gọi là “nghẽn cổ chai”. Hiện tượng “nghẽn cổ
chai” xuất hiện ở khắp nơi trong các mạng đô thị hiện nay. Các nhà cung cấp dịch vụ
đang đối mặt với sự cần thiết phải thay đổi nhanh chóng và hiệu quả ở cùng một thời
gian khi mà vốn đầu tư bị hạn chế. Về mặt công nghệ, đã có rất nhiều giải pháp cho
vấn đề này nhưng hầu hết đều chưa đạt được hiệu quả về giá trị kinh tế.
Đầu tiên, lựa chọn hiển nhiên nhất để tăng dung lượng cho mang truy nhập đó
là sử dụng cáp sợi quang. Cáp sợi quang chính là giải pháp tin cậy nhất của truyền
thông quang. Nhưng thời gian lắp đặt và chi phí chính là cản trở của phương pháp này
khi tính đến mặt kinh tế. Hơn nữa, một khi đã lắp đặt sợi quang thì nó sẽ trở thành một
“giá trị cố định” và không thể bố trí lại nếu khách hàng chuyển sang một nhà cung cấp
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I: Tổng quan về FSO
dịch vụ mới, khiến cho rất khó có thể khôi phục lại giá trị đầu tư trong một khung thời
gian hợp lý.
Hình 1.1 Hiện tượng nghẽn cổ chai trong mạng
Một lựa chọn khác đó là công nghệ không dây sử dụng tần số vô tuyến
RF (Radio Frequency). Công nghệ này cho phép truyền đi trong khoảng cách xa hơn
FSO, nhưng các mạng mà dựa trên RF yêu cầu sự đầu tư lớn khi phải đăng ký dải phổ.
Hơn nữa, các công nghệ RF gặp phải khó khăn khi muốn mở rộng lên dung lượng cao.
Khi so sánh với FSO, RF không đảm bảo hiệu quả kinh tế cho các nhà cung cấp dịch
vụ đang trông đợi vào sự mở rộng dung lượng của các mạng quang.
Lựa chọn thứ ba đó là công nghệ dựa trên dây cáp đồng (như Ethernet, T1s hay
DSL). Mặc dù hạ tầng cáp đồng có mặt ở khắp nơi và số các tòa nhà sử dụng cáp đồng
là cao hơn sợi quang nhưng đây vẫn không phải là một giải pháp thỏa đáng trong việc
giải quyết hiện tượng nghẽn cổ chai do trở ngại lớn nhất chính là độ rộng băng thông.
Công nghệ cáp đồng có thể giải quyết một số vấn đề ngắn hạn, nhưng hạn chế về băng
thông chỉ ở mức 2Mbit – 3Mbit/s khiến cho công nghệ này chỉ là một giải pháp tạm
thời.
Giải pháp thứ tư và thích hợp nhất chính là FSO. Công nghệ này là một giải
pháp tối ưu nhờ những ưu điểm của công nghệ quang như độ rộng băng thông, tốc độ
triển khai (vài giờ so với vài tuần hoặc vài tháng), độ mềm dẻo (có thể tái triển khai và
chuyển dịch), hiệu quả kinh tế cao (trung bình chi phí lắp đặt chỉ bằng 1/5 so với lắp
đặt cáp quang). Với các nhà cung cấp mạng đô thị MAN (Metropolitan Area Network)
thì vấn đề “dặm cuối” (last mile) đang làm nản chí các nhà cung cấp trong các dịch vụ
băng thông rộng. FSO có thể giải quyết vấn đề này và cho phép các khách hàng mới
có thể truy nhập vào mạng MAN tốc độ cao.
Bảng 1.1 Bảng so sánh FSO và một số công nghệ khác
UTP
(CAT-5)
Cáp đồng
Sóng
viba
Vệ tinh
Cáp
quang
FSO
Tốc độ
truyền
10Mbps –
1.000Mbp
s
500Mbps 275Mbps 90Mbps
100Mbps-
100Gbps
Đa dạng
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I: Tổng quan về FSO
Cài đặt Dễ dàng
Trung
bình
Khó Khó Khó
Trung
bình
Chi phí Ít nhất
Trung
bình
Trung
bình
Trung
bình
(không
tính giá
vệ tinh)
Cao
Trung
bình
Bảo trì Thấp
Trung
bình
Thấp Thấp Thấp Thấp
Kĩ năng
cần thiết
để cài đặt
Thấp
Trung
bình
Cao Cao Cao
Trung
bình
Đối
tượng sử
dụng
thông
dụng
Mạng
LAN trong
các tòa
nhà
Mạng đa
điểm
Điểm –
điểm,
khoảng
cách ngắn
Điểm –
điểm,
khoảng
cách dài
Điểm –
điểm
Giữa các
tòa nhà,
khoảng
cách ngắn
Ưu điểm
Rẻ, thân
thiện, dễ
cài đặt,
phổ biến
Ít gây
nhiễu tới
các thiết
bị khác,
tốc độ
Tốc độ Tốc độ,
tính di
động cao
Bảo mật,
dung
lượng lớn,
không
chịu ảnh
hưởng
nhiễu điện
từ (EMI)
Giá cả,
hiệu năng
Nhược
điểm
Gây nhiễu,
bị giới hạn
khoảng
cách nếu
không có
bộ lặp hay
bộ khuếch
đại
Kềnh
càng, khó
sử dụng
Có thể bị
chặn
Trễ
truyền
sóng, có
thể bị
chặn
Khó ghép
nối
Có thể bị
chặn
Bảo mật Tốt Tốt Kém Kém Rất tốc Tốt
Ghi chú
Cáp xoắn
cho phép
tốc độ cao
hơn nhưng
khó sử
dụng
Băng
rộng yêu
cầu cường
độ bảo trì
cao hơn
Yêu cầu
đăng ký
sóng từ
FCC
Ít sử dụng
cho các
mạng cá
nhân
Chưa có
giới hạn
về dung
lượng
Công
nghệ mới
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I: Tổng quan về FSO
1.3. Một số vấn đề trong công nghệ FSO
1.3.1. Bước sóng sử dụng
Một cách tổng quát, tất cả các hệ thống FSO thương mại hiện nay đều hoạt
động ở gần dải bước sóng hồng ngoại là từ 750nm đến 1600nm do ít bị hấp thụ từ khí
quyển khi so sánh với các dải bước sóng khác, chỉ có một vài hệ thống đang được phát
triển để hoạt động ở bước sóng 10.000nm.
780 – 850nm
Mỗi bước sóng có giá trị suy hao khi truyền qua không gian tự do khác nhau.
Dải bước sóng 780 – 850nm bị hấp thụ khá mạnh mẽ. Một số nhà sản xuất đã có các
nguồn laser công suất cao cho dải bước sóng này. Đối với bước sóng 850nm, đã có rất
nhiều thành phần phát và thu tin cậy, giá thành rẻ và hiệu năng cao đang sử dụng bước
sóng này và đang được dùng rộng rãi trong các thiết bị.
1520 – 1600nm
Dải bước sóng này rất thích hợp cho truyền dẫn trong không gian tự do vì ít bị
ảnh hưởng bởi sự hỗn loạn của khí quyển hơn so với dải bước sóng 780 – 850nm.
Đồng thời, thực tế đã sản xuất được các thiết bị phát và thu chất lượng cao cho dải
bước sóng này. Sự kết hợp giữa ưu điểm của suy hao thấp và tính sẵn có của sản phẩm
đã mang tới tính khả thi cho các hệ thống FSO ghép kênh phân chia theo bước sóng
WDM (Wavelength Division Multiplexing). Hơn nữa, các bước sóng này cũng được
sử dụng trong các hệ thống sử dụng sợi quang và các công ty đang cố gắng để giảm
giá thành và tăng hiệu năng của các thiết bị sử dụng dải bước sóng 1520 – 1600nm.
Thêm vào đó, dải bước sóng này thích hợp với bộ khuếch đại pha sợi (EDFA Erbium
Doped Fiber Amplifier). Đây là thiết bị khuếch đại rất quan trọng cho các hệ thống
yêu cầu công suất cao (>500mW) và tốc độ dữ liệu lớn (>2,5Gbit/s). Cuối cùng, có thể
truyền với công suất mạnh hơn 5 – 65 lần ở dải bước sóng 1520 – 1600nm so với dải
bước sóng 780 – 850nm mà vẫn đảm bảo an toàn cho mắt do sự truyền dẫn chậm của
mắt người ở dải bước sóng này.
10.000nm (10µm)
Bước sóng này còn khá mới trong thị trường FSO và đang được phát triển vì
khả năng truyền tốt trong sương mù.
1.3.2 Bộ thu, phát
1.3.2.1 Bộ phát
Trong các hệ thống FSO hiện đại, có rất nhiều kiểu nguồn quang khác nhau
được sử dụng cho việc truyền dẫn dữ liệu. Ta sẽ chủ tập trung vào các nguồn quang
chế tạo bởi vật liệu bán dẫn bởi vì đây là loại nguồn truyền dẫn chủ yếu trong các hệ
thống FSO thương mại hiện nay. Những điểm khác biệt chủ yếu giữa các nguồn truyền
dẫn này đó là chất bán dẫn được sử dụng. Giá thành của một bộ phát quang có công
suất lớn và tốc độ điều chế cao có thể từ vài chục đô la tới vài nghìn đô la. Việc sử
dụng các nguồn quang cụ thể phụ thuộc vào các ứng dụng cụ thể.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I: Tổng quan về FSO
Hình 1.2 Sơ đồ bộ thu, phát FSO
1.3.2.1.a LED
LED là dịch phát quang hoạt động dựa trên nguyên lý phát xạ tự phát. Do đặc
tính công suất truyền dẫn tương đối thấp nên LED thường được sử dụng trong các ứng
dụng ở khoảng cách ngắn với yêu cầu băng thông trung bình dưới 155Mbps. Phụ
thuộc vào vật liệu chế tạo, LED có thể hoạt động ở các khoảng bước sóng khác nhau.
Khi so sánh với các nguồn truyền dẫn laser độ rộng phổ, LED có phổ hoạt động rộng
hơn rất nhiều. Độ rộng phổ phát xạ toàn phần ở nửa đỉnh FWHM (Full width at half
maximum) là từ 20 – 100nm xung quanh độ dài bước sóng trung tâm. Các LED hồng
ngoại cũng được sử dụng làm các nguồn truyền dẫn trong các hệ thống điều khiển từ
xa. Ưu điểm của LED đó là thời gian sử dụng lâu và giá thành rẻ.
Bảng 1.2 Mối liên hệ giữa vật liệu chế tạo và bước sóng hoạt động của LED
Vật liệu Dải bước sóng (µm)
GaInP 0,64 – 0,68
AlGaAs 0,8 – 0,9
InGaAs 1,0 – 1,3
InGaAsP 0,9 – 1,7
Bảng 1.2 đưa ra danh sách hệ thống các loại vật liệu bán dẫn cùng khoảng độ
dải bước sóng hoạt động tương ứng. Với các ứng dụng FSO thì LED được chế tạo từ
AlGaAs được ưa dùng vì bước sóng phát xạ rơi vào khoảng 850nm. Ở dải bước sóng
850nm thì độ rộng phổ phát xạ toàn phần ở nửa đỉnh (FWHM) thông thường của một
LED là 20 – 50nm.
Băng thông điều chế của LED thường vào khoảng giữa 1MHz và 100MHz.
LED được sử dụng trong các ứng dụng có yêu cầu băng thông điều chế cao hơn thì
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I: Tổng quan về FSO
không thể có mức công suất phát xạ cao. Một LED có công suất phát 1mW được coi là
có công suất lớn nếu nó hoạt động ở tốc độ điều chế cao.
Hình 1.3 Cấu trúc SLED
Sau một thời gian, hoạt động công suất của LED tại một giá trị dòng điều khiển
không đổi sẽ giảm. Vấn đề này liên quan đến tuổi thọ của LED. Tuy nhiên, tuổi thọ
của LED (khoảng thời gian tính tới lúc công suất giảm một nửa so với giá trị ban đầu)
khá là dài (10
5
giờ - khoảng 11 năm).
Có 2 loại LED được sử dụng phổ biến trong các hệ thống quang là: LED phát
xạ mặt và LED phát xạ cạnh. Trong khi LED phát xạ mặt có góc chiếu sáng lớn và
không gian phát xạ như một hình cầu thì LED phát xạ cạnh lại có không gian phát xạ
bất đối xứng hình elip.
1.3.2.1.b Laser
Hiện nay, các hệ thống FSO thương mại hóa chủ yếu sử dụng laser bán dẫn bởi
ưu điểm về kích thước nhỏ, công suất cao và giá thành hợp lý. Hầu hết các loại laser
này cũng được sử dụng trong công nghệ sợi quang nên tính khả thi không phải là vấn
đề.
Theo góc nhìn thiết kế bán dẫn thì hiện nay cũng có hai loại cấu trúc laser khác
nhau: laser phát xạ cạnh và laser phát xạ mặt. Với cấu trúc phát xạ cạnh, ánh sáng dời
khỏi thông qua một cửa sổ nhỏ của lớp tích cực và song song với cấu trúc lớp. Trong
khi đó với cấu trúc phát xạ mặt thì lại phát xạ qua một cửa sổ nhỏ vuông góc với cấu
trúc lớp. Cả hai cấu trúc này đều có những ưu điểm và nhược điểm khi xét tới các yếu
tố như mức công suất đầu ra, hay sản xuất quy mô lớn.
Có rất nhiều loại laser và cách chế tạo khoang laser. Mục đích của khoang đó là
giam ánh sáng và tạo ra điều kiện cộng hưởng cho các bước sóng cụ thể.
Một thiết kế laser diode thường thấy đó là sử dụng khoang cộng hưởng Fabry-
Perot. Trong thiết kế này, ánh sáng được giam hãm trong lớp tích cực bằng cách sử
dụng các vật liệu bán dẫn (Al, Ga và As) là những vật liệu khá giống nhau nhưng có
chiết suất khác nhau. Sử dụng AlGaAs, chiết suất có thể thay đổi bằng việc thay đổi
nhỏ tỷ lệ các thành phần vật liệu. Hệ số phản xạ cao nên một gương gần như phản xạ
hoàn toàn ánh sáng trong khi mặt gương còn lại thì trong suốt không đáng kể. Trong
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I: Tổng quan về FSO
trường hợp này, một phần nhỏ của tia sáng sẽ thoát khỏi khoang, đó là ánh sáng phát
xạ của laser.
Hình 1.4 Cấu trúc laser phát xạ cạnh
Một sự cải tiến tới hiệu năng laser đó là laser phân bố hồi tiếp DFB (Distributed
feedback laser). DFB phát ra ánh sáng có phổ hẹp, gần như là một bước sóng đơn (<
0,1nm). Laser DFB có giá thành đắt (đắt hơn 1.000 lần so với laser Fabry-Perot cơ
bản) và yêu cầu phải có hệ thống làm mát nhiệt điện nhưng mang lại hiệu năng cao.
Laser phân bố phản xạ Bragg DBR (Distributed Bragg Reflector) có thể được
sử dụng để cung cấp khả năng điều hưởng tới bước sóng đầu ra. Mặc dù có giá thành
đắt, laser DBR vẫn có thể được sử dụng để điều chỉnh độ dài bước sóng laser cho các
điều kiện thời tiết cụ thể.
Một lựa chọn phổ biến hiện nay trong các thiết bị FSO là laser phát xạ mặt
khoang cộng hưởng dọc VCSEL (Vertical-cavity surface-emitting laser). VCSEL có
những ưu điểm như là công suất tiêu thụ thấp, ít tạo ra nhiệt, giá thành rẻ và có độ
rộng băng thông cao (lên tới 5GHz).
1.3.2.1.c Những yêu cầu khi lựa chọn laser cho FSO
Việc chọn nguồn laser cho các ứng dụng FSO phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác
nhau. Điều quan trọng là độ dài bước sóng truyền dẫn phải phù hợp với một trong các
cửa sổ quang truyền dẫn trong không khí. Các cửa sổ không khí thích hợp là các dải
850nm và 1550nm. Các yếu tố khác cần quan tâm khi lựa chọn một nguồn sáng cụ thể
là:
• Giá thành và tính sẵn có của các thiết bị thương mại
• Công suất truyền dẫn
• Tuổi thọ
• Các khả năng điều chế
• An toàn với mắt
• Các đặc tính vật lý
• Khả năng tích hợp với các môi trường truyền dẫn khác như sợi quang
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I: Tổng quan về FSO
1.3.2.2. Bộ thu
Bên cạnh các nguồn quang thì các bộ thu quang cũng là thành phần quan trọng
trong thiết kế hệ thống FSO. Các bộ thu quang chuyển đổi từ tín hiệu quang sang tín
hiệu điện dựa trên hiện tượng hấp thụ ánh sáng của vật liệu bán dẫn quang. Tương tự
như các nguồn laser, hầu hết bộ tách sóng quang được sử dụng trong các hệ thống FSO
thương mại đều sử dụng vật liệu bán dẫn. Tùy thuộc vào hệ thống vật liệu cụ thể mà
có thể hoạt động ở các dải bước sóng khác nhau.
1.3.2.2.a Photodiode PIN
Photodiode PIN khắc phục được vấn đề về độ nhạy kém và thời gian tăng tốc
chậm của photodiode P-N thông thường. Đây là bộ thu quang được sử dụng phổ biến
nhất trong các thiết bị FSO.
Cấu tạo của diode PIN gồm ba lớp bán dẫn, trong đó lớp I (Intrinsic) là lớp bán
dẫn không pha tạp chất hoặc pha tạp chất rất ít nên không có điện tử tự do do đó nên
có điện trở rất lớn. Và lớp này nằm giữa hai lớp P và N. Lớp I đóng vai trò giống vùng
nghèo trong tiếp giáp P-N nhưng có chiều dài lớn hơn nhằm tăng hiệu suất hấp thụ
photon tới.
Hình 1.6 Cấu trúc photodiode PIN
Bởi vì lớp I rất rộng nên xác suất tiếp nhận photon ở lớp này cao hơn và do đó
quá trình hấp thụ photon ở lớp này nhiều hơn so với hai lớp P và N. Như vậy khi lớp I
càng dày thì hiệu suất lượng tử càng cao. Tuy nhiên khi đó thời gian trôi của điện tử
lớn nên làm giảm khả năng hoạt động tốc độ cao của PIN. Khả năng thâm nhập ánh
sáng phụ thuộc vào bề dày lớp P. Ánh sáng có bước sóng càng dài càng dễ thâm nhập
vào bán dẫn.
1.3.2.2.b Photodiode quang thác APD (Avalance Photodiode)
APD là bộ tách sóng quang bán dẫn, có độ lợi nội (internal gain) nên dòng tách
quang được khuếch đại và độ lợi nội này làm tăng đáp ứng so với photodiode PN hay
photodiode PIN.
Người ta chế tạo APD gồm bốn lớp: P
+
π P N
+
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I: Tổng quan về FSO
Hình 1.7 Cấu trúc photodiode APD
• P
+
N
+
là hai lớp bán dẫn có nồng độ tạp chất cao, nên điện trở của hai vùng này
nhỏ, do đó điện áp phân bố trên chúng rất nhỏ.
• π là vùng có nồng độ tạp chất rất ít và gần như tinh khiết. Nó giống như lớp I
của PIN. Hầu như tất cả các photon bị hấp thu trong vùng này, và tạo ra các cặp
điện tử - lỗ trống tự do.
Sự nhân dòng theo cơ chế thác lũ diễn ra như sau:
• Dưới tác dụng của dòng phân cực ngược, sự phân bố cường điện trường trong
các lớp bán dẫn được mô tả như ở hình 1.8. Trong đó trường vùng tiếp giáp
PN
+
cao nhất, quá trình nhân điện tử xảy ra ở vùng này. Vùng này còn được gọi
là vùng thác lũ.
Hình 1.8 Sự phân bố năng lượng điện trường trong các lớp bán dẫn
• Khi có ánh sáng chiếu vào, các photon bị hấp thụ trong lớp π, tạo ra các cặp e –
p (electron – lỗ trống). Dưới sự định hướng của điện trường ngoài, các lỗ trống
di chuyển về phía P
+
(nối với cực âm của nguồn) còn các điện tử di chuyển về
phía tiếp giáp PN
+
. Điện trường cao trong vùng tiếp giáp PN
+
sẽ tăng tốc cho
điện tử. Khi những điện tử này đập vào các nguyên tử tinh thể bán dẫn tạo ra
thêm các cặp điện tử - lỗ trống mới. Những hạt mang điện mới được gọi là
những hạt mang điện thứ cấp. Những hạt mang điện thứ cấp này bản thân nó
được tăng tốc vào tạo ra nhiều hạt mang điện thứ cấp khác. Quá trình cứ tiếp
diễn và số lượng hạt mang điện được tạo ra rất nhiều. Quá trình này được gọi là
quá trình nhân thác lũ. Nhờ quá trình nhân này mà dòng tách quang của APD sẽ
lớn hơn so với dòng tách quang của PIN.
1.3.2.2.c Những tiêu chuẩn khi lựa chọn bộ thu cho FSO
Tương tự như các nguồn sáng, lựa chọn một bộ thu tách quang với loại vật liệu
cụ thể phụ thuộc vào mục đích sử dụng. Độ nhạy phải phù hợp với độ dài bước sóng
truyền của máy phát.
Với các ứng dụng sử dụng bước sóng ngắn hơn ở trong dải cửa sổ bước sóng
850nm, các bộ thu quang silicon là lựa chọn tốt nhất. Bộ thu PIN thích hợp cho các
ứng dụng ở khoảng cách ngắn và công suất của bộ phát phải đủ lớn. APD thì thích hợp
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương I: Tổng quan về FSO
cho các ứng dụng ở khoảng cách lớn. Độ nhạy cao của cấu trúc APD cho phép mở
rộng khoảng cách truyền dẫn. Tuy nhiên, APD yêu cầu điện áp ổn định và đắt hơn
PIN. Ngoài ra, dòng tối thông thường của APD cao hơn khi so sánh với PIN.
Bộ thu làm từ silicon có bước sóng cắt là 1,1µm. Vì vậy, silicon không thể
được sử dụng trong các ứng dụng với bước sóng dài. Với dải bước sóng 1550nm,
InGaAs là lựa chọn phù hợp. Độ nhạy của các hệ thống sử dụng InGaAs có thể lên tới
0,9A/W ở xung quanh 1550nm. Diode PIN InGaAs hiện nay được sử dụng rộng rãi
trong thương mại. Các diode này có các đặc tính điều chế rất tốt và có thể hoạt động ở
tốc độ cao (10Gbps và cao hơn)
1.3.3 Môi trường truyền dẫn
Môi trường truyền dẫn của hệ thống FSO là không gian tự do, phụ thuôc vào
phạm vi truyền dẫn mà hệ thống FSO được phân loại thành 2 loại chính như sau:FSO
trong nhà (Indoor FSO) và FSO ngoài trời (Outdoor FSO).
Đối với FSO trong nhà thì môi trường truyền dẫn chính là khoảng không ở
trong các tòa nhà. Đây là môi trường khá ổn định, không chịu nhiều biến đổi, chi phối
của khí hậu bên ngoài.
FSO ngoài trời thì ngược lại. Môi trường truyền dẫn của loại này chính là bầu
khí quyển. Là môi trường đầy có tính ổn định kém do chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ các
yếu tố môi trường như sương mù, mưa và nhiễu từ ánh sáng bên ngoài …
1.4 Kết luận chương
Như vậy ở chương I ta đã tìm hiểu về lịch sử của FSO, tuy là một công nghệ đã
có từ lâu nhưng đến gần đây FSO mới được quan tâm nghiên cứu rộng rãi. Là một
công nghệ có những ưu điểm nổi bật về tốc độ cùng dung lượng, không phải đăng ký
phổ sử dụng, sự dễ dàng khi triển khai, chi phí thấp hơn so với cáp quang cùng với
tính bảo mật tốt nên FSO đang dần trở thành giải pháp hữu hiệu cho mạng đô thị.
Ngoài ra ở chương 1 ta còn tìm hiểu cơ bản về bộ phát quang LED và laser, và
bộ thu quang PIN hoặc APD cùng môi trường truyền dẫn trong hệ thống FSO. Chương
2 sẽ đưa ra hai cấu trúc thông dụng hiện nay trong hệ thống FSO đó là cấu trúc cầu và
cấu trúc mảng, chương 3 sẽ đưa ra mô hình kênh cùng hệ thống FSO sử dụng công
nghệ OFDM và cuối cùng chương 4 sẽ là phần mô phỏng đánh giá hiệu năng mạng.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II: Cấu trúc bộ thu, phát cầu trong hệ thống
FSO
Chương II: Cấu trúc bộ thu, phát dạng cầu trong hệ thống FSO
2.1 Giới thiệu về bộ thu, phát dạng cầu
Dù có rất nhiều ưu điểm như đã nêu ở chương I, FSO vẫn tồn tại những hạn chế
đó là khả năng duy trì đường nhìn thấy LOS cho luồng dữ liệu liên tục. Truyền thông
di động sử dụng FSO thường được xem xét cho môi trường trong nhà, với một phòng
đơn và sử dụng kỹ thuật tán xạ quang. Bởi vì công suất của một nguồn quang đơn khi
bị khuếch tán ra mọi hướng sẽ khá nhỏ nên những kỹ thuật này chỉ thích hợp cho
những khoảng cách truyền dẫn ngắn (thường là dưới 10m). Với môi trường ngoài trời,
để đảm bảo duy trì đường nhìn thấy cho hệ thống, một số kỹ thuật như tự động theo
dõi, điều khiển chùm sáng, tự động liên kết hay phân tập bước sóng được áp dụng để
cải thiện những lỗi liên kết trong cấu trúc thu, phát mảng hai chiều. Tuy nhiên những
kỹ thuật này chỉ làm việc trong một khoảng nhỏ (1µm – 1cm) và yêu cầu thiết bị cơ
giới cồng kềnh. Vì thế, để có thể áp dụng được tốt FSO trong môi trường di động, FSO
có bộ thu phát của cấu trúc cầu được đề xuất.
Hình 2.1 Hệ thống thu, phát cầu FSO được gắn với LED và photodiode
Hình 2.1 đưa ra hình ảnh tổng quát của một bề mặt cầu được gắn với các bộ
phát quang LED (hoặc Laser) và bộ thu quang (photodetector). Cấu trúc này không chỉ
cải thiện phạm vi làm việc vì tại mọi hướng đều có các nguồn sáng và còn cho phép
giao tiếp đa kênh đồng thời thông qua các bộ thu phát. Như trong hình 2.1(b), sự cân
bằng giữa hệ số tái sử dụng không gian và độ phân tập góc có thể thu được bằng việc
xây dựng các nút FSO như mảng tổ ong của các bộ thu phát với mỗi mảng là một tế
bào trong tổ ong đó.
Để chứng minh tính khả thi của hệ thống FSO cầu đã đề cập ở trên, cần thiết kế
một mạch tự động liên kết để tự động theo dõi chùm sáng nhằm duy trì LOS liên tục
giữa các nút giao tiếp quang khi chúng di chuyển.
Cấu trúc FSO cầu cũng cho phép lắp đặt số lượng bộ thu, phát với mật độ cao
và đáp ứng được cho yêu cầu truyền thông khoảng cách xa cũng như vùng phủ lớn
(với một nút FSO có bán kính 1cm có bộ thu, phát được gắn trên một tế bào của nút có
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II: Cấu trúc bộ thu, phát cầu trong hệ thống
FSO
bán kính 0,1cm sử dụng nguồn quang công suất 32mW có thể phủ kín một diện tích là
2272,68m
2
trong điều kiện thời tiết xấu và 5230,97m
2
trong điều kiện thời tiết tốt). Mô
hình này cũng chỉ ra rằng công suất nguồn quang ở máy phát và tầm nhìn gần như là
không có ảnh hưởng tới số lượng bộ thu, phát tối ưu trên cấu trúc này. Thay vào đó,
hình dáng hình học của nút FSO và góc phân kỳ đóng vai trò quan trọng, nghĩa là ta có
thể điều chỉnh công suất nguồn phát một cách phù hợp dựa vào tầm nhìn thực tế mà
không cần phải thay đổi số bộ thu, phát ở các nút FSO. Đây là một kết quả quan trọng
vì nhờ đó có thể cố định số bộ thu, phát tối ưu khi thiết kế một nút FSO riêng biệt.
2.2. Thiết kế nút FSO có khả năng tự cấu hình
Một nút FSO có khả năng tự cấu hình đó là việc nút FSO đó có thể tự động tìm
LOS thích hợp và tạo nên một liên kết giữa 2 nút dựa trên LOS tìm được rồi và thực
hiện trao đổi dữ liệu.
Khả năng tự cấu hình của hệ thống FSO dựa trên hai thành phần thiết kế cơ
bản: (i) cấu trúc cầu có bộ thu, phát ở trên, và (ii) mạch tự động liên kết. Như ở hình
2.2, bề mặt cầu cung cấp phân tập góc trong việc nhận và truyền tín hiệu quang theo
một phương thức ảo từ mọi hướng, và mạch tự động liên kết sẽ lựa chọn bộ thu, phát
nào được sử dụng cho giao tiếp dữ liệu. Bây giờ ta sẽ tìm hiểu rõ hơn ở trong từng tiểu
mục.
Hình 2.2 Thiết kế của một nút FSO hình cầu
2.2.1 Khái niệm về bề mặt cầu
Tính chất hình cầu của cấu trúc nút đem lại cho ta hệ số tái sử dụng không gian
và phân tập góc. Chúng ta gắn lên bề mặt của khối cầu các bộ thu, phát quang sử dụng
LED và photodiode. Bởi vì LED có góc phát xạ lớn và photodiode cũng có một tầm
nhìn lớn (FoV) nên cặp LED – Photodiode hình thành nên một bộ thu phát hình nón.
Hình nón này bao phủ một khoảng không gian 3 chiều đáng kể. Như ở hình 2.1(b),
khối cầu được gắn các bộ thu, phát với mật độ hợp lý có thể bao phủ toàn bộ 360
0
không gian xung quanh. Trong hình 2.3 cho thấy khi các khối cầu di chuyển tương đối
với nhau, đường nhìn thấy (LOS) đang tồn tại giữa chúng sẽ mất và một LOS mới sẽ
được tạo ra.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II: Cấu trúc bộ thu, phát cầu trong hệ thống
FSO
Hình 2.3 Đường LOS giữa các nút FSO hình cầu
Hai khối cầu chứa các bộ thu, phát nằm trong đường nhìn thấy có thể thoải mái
giao tiếp với nhau, khi chúng di chuyển đi vị trí khác. LOS giữa bộ thu, phát cũ bị mất
thì LOS mới sẽ nhanh chóng được tạo ra giữa các bộ thu, phát ở vị trí thích hợp của
hai khối cầu.
Hình 2.4 Nguyên mẫu thu, phát cầu trong thực tế
Hình 2.4 mô tả thiết kế bộ thu, phát FSO cầu trong thực tế. Nguyên mẫu này
gồm hai phần chính: Mạch thu, phát và mạch điều khiển. Mạch thu, phát có hình tròn
được gắn LED và photodiode trên đó. Mạch điều khiển chứa một bộ vi điều khiển chịu
trách nhiệm cho việc phát hiện kết nối, truyền và phục hồi dữ liệu.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II: Cấu trúc bộ thu, phát cầu trong hệ thống
FSO
Mạch thu, phát
Thông thường, một mạch thu, phát gồm 2 LED, một PD và một mạch định
thiên đơn giản. 2 LED được sử dụng để tăng công suất quang phát xạ và vì thế mà tăng
hiệu quả giao tiếp.
Hình 2.5 Mặt trước và mặt sau một mạch thu, phát
Mạch điều khiển
Các đơn vị dữ liệu truyền đi hay nhận lại thông qua máy thu, phát đều được
điều khiển bởi một bộ vi điều khiển. Bộ vi điều khiển này thực hiện giao thức liên kết
và quyết định là có truyền tin hay không. Nó cũng làm nhiệm vụ phát hiện nếu chất
lượng đường truyền giảm xuống và đệm dữ liệu khi liên kết bị gián đoạn và gửi ngay
khi liên kết được nối lại.
Hình 2.6 Mạch điều khiển
2.2.2 Mạch tự động tìm kiếm LOS
Chức năng cơ bản của mạch tự động tìm kiếm LOS đó là giám sát những chùm
tia sáng tới ở mỗi bộ thu, phát và duy trì giao tiếp liên tục giữa 2 nút FSO bằng cách
lựa chọn linh động các bộ thu, phát thích hợp nằm trong LOS của chúng. Hình 2.7 chỉ
ra kết cấu của một mạch tự động tìm kiếm cho hai nút FSO cầu với 4 bộ thu, phát.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II: Cấu trúc bộ thu, phát cầu trong hệ thống
FSO
Hình 2.7 Kết cấu của một mạch tự động tìm kiếm LOS với 4 kênh vật lý
Trong trường hợp không tìm được LOS, (i) mạch trước tiên sẽ tìm một LOS tồn
tại giữa hai khối cầu, (ii) sau đó sẽ thực hiện truyền tiếp dữ liệu thông qua LOS mới
ngay khi LOS này được tạo ra. Hai chức năng này được thực hiện nhờ một phần cứng
thông thường được gán cho tất cả các bộ thu, phát ở một nút FSO. Bộ phận trong
mạch tự động tìm kiếm mà giám sát LOS được gọi là “đơn vị LOS”. Đơn vị LOS sẽ
đưa ra một tín hiệu logic cao khi một LOS xuất hiện giữa 2 nút FSO đang giao tiếp với
nhau và một tín hiệu logic thấp khi LOS bị mất. Khi tín hiệu logic thấp xuất hiện,
mạch sẽ thực hiện “tìm kiếm LOS”. Trong suốt quá trình này, việc truyền dữ liệu tạm
thời ngừng lại và các xung tìm kiếm được phát ra mọi hướng để tìm kiếm LOS. Đối
với khối cầu thứ 2, lúc này đã di chuyển đến một vị trí khác, cũng đã loại LOS cũ và
bắt đầu tìm kiếm LOS mới. Các khối cầu thu, phát thậm chí vẫn nhận các xung tìm
kiếm ngay cả khi đã tìm được LOS mới – sau khi tạo ra một một tín hiệu logic cao từ
“đơn vị LOS” để thông báo và sau đó khôi phục lại quá trình truyền dữ liệu.
Trong trường hợp mà tìm thấy nhiều LOS giữa hai nút FSO, bộ giải mã ưu tiên
được sử dụng để lựa chọn một LOS trong số các đường LOS được tạo ra từ mỗi bộ
thu, phát. Khi không tìm LOS nào được tìm thấy, hệ thống sẽ thực hiện tìm kiếm bằng
cách gửi các xung tới các bộ thu, phát của nút còn lại. Ngay khi một hay nhiều LOS
được hình thành, tín hiệu dữ liệu sẽ được gửi thông qua các kênh liên kết được tạo ra
từ các đường LOS đó. Vì thế, kênh dữ liệu logic (hay luồng) được gắn liền với các
kênh vật lý một cách linh động phụ thuộc vào việc các kênh này có được kết nối hay
không. Hiện nay đã có một vài cải tiến như lựa chọn ra bộ thu, phát tạo ra kênh liên
kết tốt nhất trong trường hợp có nhiều kênh cùng tồn tại.
Giao thức tìm kiếm LOS sử dụng hệ thống điều khiển điện
Trái ngược với các phương pháp điều khiển cơ khí truyền thống để quản lý liên
kết LOS, việc tìm kiếm dựa trên mạch điện đơn giản sử dụng một giao thức được đơn
giản hóa “bắt tay 3 bước” để tạo ra liên kết giữa các bộ thu, phát trong tầm nhìn của
