NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG TRUY CẬP QUANG – VÔ TUYẾN SỬ DỤNG BĂNG TẦN CAO SCMMMWROF CHO THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.02 MB, 26 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ---

ĐÔNG HẢI NAM

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG TRUY CẬP QUANG –VƠ TUYẾN SỬ DỤNG BĂNG TẦN CAO

SCM/MMW/RoF CHO

THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Mã số: 8520203

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Đà Nẵng – Năm 2020

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

DUT.LRCC

Cơng trình được hồn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Văn Tuấn

Phản biện 1: TS. Ngơ Minh Trí

Phản biện 2: TS. Trần Thế Sơn

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt

nghiệp thạc sĩ kỹ thuật điện tử tại Trường Đại học Bách khoa vào

ngày 19 tháng 12 năm 2020

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu và truyền thông, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN - Thư viện Khoa Điện tử - viễn thông, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, sự khởi đầu của thời đại công nghệ 4.0 cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, nhu cầu các dịch vụ viễn thông cũng ngày càng phát triển đa dạng và phong phú. Các dịch vụ viễn thơng như thoại, internet, các trị chơi trực tuyến, truyền hình hội nghị, các cuộc họp trực tiếp, kênh thuê riêng, mạng riêng ảo, dịch vụ FTTx, IoT…cùng với các thế hệ công nghệ mạng 2G, 3G, 4G, 5G… đã dẫn tới nhu cầu phát triển các đường truyền băng rộng để đáp tương ứng được sự tăng trưởng dung lượng truyền tải trong hệ thống thông tin [3,9].

Công nghệ IoT và thông tin di động thế hệ mới cần cơ sở hạ tầng mạng cung cấp băng thông rất rộng để đáp ứng với nhu cầu thông tin tích hợp đồng thời nhiều loại hình dịch vụ băng rộng từ các thiết bị thông tin liên lạc khác nhau. Đặc biệt vài năm gần đây, nhu cầu thông tin di động băng tần rộng tăng lên nhanh chóng. Trên tồn cầu, lưu lượng dữ liệu di động sẽ tăng gấp 7 lần từ năm 2017 đến năm 2022, với tốc độ tăng trưởng là 46% đạt 77,5 exabyte mỗi tháng vào năm 2022 (một exabyte bằng một tỉ gigabyte). Lưu lượng truy cập từ thiết bị không dây và thiết bị di động sẽ chiếm 71% tổng lưu lượng IP vào năm 2022 [9].Trong bối cảnh đó, hệ thống thông tin quang - vô tuyến SCM/MMW/RoF (Subcarrier Multiplexing Millimeter Wave Radio-over-Fiber) còn được gọi là hệ thống truyền dẫn fronthaul di động (Mobile Fronthaul) được tập trung nghiên cứu để truyền tín hiệu di động giữa các trạm trung tâm CS (Central Station) và các đầu cuối vô tuyến ở xa RRH (Remote Radio Head) của mạng thông tin di động. Với ưu điểm vượt trội là băng thông rất

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

rộng của công nghệ quang tử và sợi quang việc xử lý và truyền tín hiệu hệ thống SCM/MMW/RoF cho phép tăng đáng kể dung lượng, giảm trễ tín hiệu, năng lượng tiêu thụ, chi phí và độ phức tạp của mạng thông tin di động. Do đó nó là xu thế ứng dụng tất yếu trong hệ thống thông tin di động thế hệ mới (5G và sau 5G). Đặc biệt, tiềm năng ứng dụng vào hệ thống SCM/MMW/RoF khoảng cách truyền dẫn lớn là rất lớn để thông tin di động liên lạc giữa các quần đảo của các nước có nhiều đảo hoặc giữa đất liền và các đảo. Tại Việt Nam có hơn 3.000 hịn đảo lớn, nhỏ trong đó có các quần đảo, đảo lớn là Hoàng Sa, Trường Sa, Phú Quốc, Côn Đảo... Đảo của Việt Nam được chia thành hệ thống các đảo ven bờ và hệ thống các đảo xa bờ. Hệ thống đảo ven bờ có khoảng 2.800 đảo. Các đảo cách đất liền của nước ta từ vài km đến vài trăm km. Những năm gần đây việc thông tin liên lạc của dân cư trên các đảo với đất liền không thuận lợi, có thể sử dụng dịch vụ VSAT truyền dẫn IP từ 2 vệ tinh VINASAT1 và VINASAT2 của Việt Nam, chủ yếu là dịch vụ truyền hình và truyền số liệu một chiều. Bài tốn đặt ra là làm thế nào tăng cường thông tin liên lạc cũng như cung cấp nhiều dịch vụ băng rộng cho dân cư trên các đảo bằng thông tin di động thế hệ mới như trong đất liền. Giải pháp hữu hiệu trong trường hợp này là xây dựng các trạm thu phát gốc BTS trong đất liền và trên các đảo, sau đó liên lạc chúng bằng cáp quang thả dưới biển. Để tăng khoảng cách truyền dẫn lên đến vài trăm km, chúng ta lắp đặt các bộ khuếch đại quang trên đường truyền. Kỹ thuật RoF ở đây cho phép truyền trực tiếp tín hiệu sóng mang thông tin di động 3G, 4G ở dải tần vô tuyến vài GHz hoặc thông tin di động thế hệ mới ở dải tần vô tuyến băng tần cao (vài chục GHz đến vài trăm GHz) qua sợi quang xuyên biển, lên đảo để đến các trạm BTS và phát trực tiếp cho các điện thoại di động của

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

DUT.LRCC

người dân trên đảo và theo hướng ngược lại [1, 9].

Xuất phát từ nhu cầu thực tế và xu hướng nghiên cứu của thế giới và Việt Nam, tác giả thực hiện đề tài “Nghiên cứu đặc tính của hệ thống truy cập quang - vô tuyến sử dụng băng tần cao SCM/MMW/RoF cho thông tin di động thế hệ mới”.

2. Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu đặc tính của hệ thống SCM/MMW/RoF truy cập quang - vô tuyến.

- Nghiên cứu các kỹ thuật xử lý tín hiệu ở phần phát và phần thu của hệ thống truy cập SCM/MMW/RoF.

- Xây dựng mơ hình tính tốn và viết chương trình mơ phỏng bằng Matlab nhằm đánh giá hiệu năng (BER, SNR) của hệ thống. Từ đó tìm biện pháp nâng cao chất lượng của hệ thống.

Nghiên cứu đặc tính của hệ thống SCM/MMW/RoF truy cập quang - vô tuyến.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu vơ tuyến qua sợi quang (RoF). - Hệ thống truyền dẫn RoF sử dụng bộ khuếch đại quang EDFA và máy thu Coherence.

- Các thành phần và kỹ thuật xử lý tín hiệu ở phần phát và phần thu của hệ thống SCM/MMW/RoF truy cập quang - vô tuyến.

- Các thành phần nhiễu ảnh hưởng đến chất lượng của kênh truyền.

- Ứng dụng Matlab để nghiên cứu đặc tính.

- Khảo sát cơng suất tín hiệu, cơng suất nhiễu và BER của hệ thống MMW/RoF truy cập quang - vô tuyến.

- Nghiên cứu bằng phần mềm Matlab nhằm đánh giá hiệu

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

DUT.LRCC

năng của hệ thống.

4. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp luận xuyên suốt của luận văn là kết hợp nghiên cứu lý thuyết và sử dụng phần mềm Matlab để làm rõ nội dung đề

tài. Cụ thể như sau:

- Thu thập, phân tích các tài liệu và thơng tin liên quan đến đề

tài.

- Tìm hiểu và phân tích hệ thống SCM/MMW/RoF truy cập

quang - vô tuyến băng rộng.

- Nghiên cứu thành phần, kỹ thuật xử lý tín hiệu ở phần phát

và phần thu của mạng truy cập SCM/MMW/RoF.

- Sử dụng Matlab để thực hiện nghiên cứu việc truyền dữ liệu

qua hệ thống.

- Đánh giá kết quả thực hiện.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Chất lượng của mạng truy cập quang - vô tuyến băng thông rộng không những bị ảnh hưởng bởi các loại nhiễu gây ra trong sợi quang, bộ khuếch đại quang, máy thu quang mà còn bị ảnh hưởng bởi các loại nhiễu pha đinh do thời tiết và pha đinh nhiều tia khi truyền trong không gian đến máy thu của người dùng. Việc khảo sát đặc tính hệ thống SCM/MMW/RoF truy cập quang - vô tuyến cho phép thiết lập giá trị của các thông số chủ yếu của hệ thống nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu đến đầu vào máy thu. Đề tài có ý nghĩa khoa học và có khả năng ứng dụng vào thực tiễn cuộc sống.

6. Bố cục luận văn

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

Luận văn gồm 4 chương và có nội dung như sau:

- Chương 1: Tổng quan về hệ thống SCM/MMW/RoF truy

cập quang - vô tuyến, chương này nhằm giới thiệu về tổng quan hệ thống truy cập quang-vô tuyến (gọi tắt là RoF) sử dụng phương pháp điều chế sóng mang phụ đồng thời phân tích chi tiết các kỹ thuật điều chế và tách sóng trong RoF.

- Chương 2: Các thành phần hệ thống ở phần quang, chương

này giới thiệu các thành phần của hệ thống ở phần quang.

- Chương 3: Thiết lập các biểu thức biểu diễn đặc tính của hệ

thống, trình bày về kênh truyền sóng, các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng lan truyền sóng và tập trung thiết lập các biểu thức biểu diễn đặc tính của hệ thống SCM/MMW/RoF.

- Chương 4: Khảo sát đặc tính của hệ thống và đánh giá kết

quả, chương cuối tập trung khảo sát đặc tính của tuyến SCM/MMW/RoF trong mạng truy cập quang - vô tuyến sử dụng bộ khuếch đại EDFA và máy thu quang Coherence bằng phần mềm Matlab.

Để hoàn thành được Luận văn, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS. Nguyễn Văn Tuấn vì sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của quý Thầy. Trong thời gian thực hiện, mặc dù đã có nhiều cố gắng, nhưng luận văn cũng khơng tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong q Thầy, Cơ và các bạn góp ý chân thành để luận văn hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

ID

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SCM/MMW/RoF TRUY CẬP QUANG – VÔ TUYẾN

1.1. Giới thiệu chương

1.2. Khái niệm về kỹ thuật truyền sóng vơ tuyến qua sợi quang (RoF)

Kỹ thuật truyền sóng vơ tuyến trên sợi quang, thường được viết tắt là RoF, là kỹ thuật truyền tải tín hiệu vơ tuyến sử dụng đường truyền là sợi quang nhằm phân phối tín hiệu vơ tuyến từ trạm trung tâm (central station) tới các trạm gốc (base station) và ngược lại. Trong đó, ánh sáng được điều chế bởi bởi tín hiệu vơ tuyến và truyền xuyên suốt qua đường truyền là sợi quang.

Tín hiệu vơ tuyến được truyền qua sợi quang từ trạm trung tâm đến hệ thống trạm gốc trước khi phát xạ ra môi trường khơng khí. Mỗi trạm gốc có thể liên lạc với nhiều thiết bị di động nằm trong vùng phủ sóng của nó. Tất cả các thiết bị xử lý tín hiệu được đặt tại trạm trung tâm, một trạm gốc được kết nối bằng sợi quang có thể phục vụ tất cả các giao thức.

Tùy thuộc vào tần số sóng mang vơ tuyến mà cấu hình của hệ thống RoF có thể được phân theo 3 loại: loại băng tần cao tần RF, loại băng tần trung tần IF và loại băng tần cơ sở BB. Các băng tần RF, IF và BB được phát trên hệ thống sợi quang với mục tiêu là làm thế nào để cấu trúc của BS càng đơn giản và hiệu quả.

Trong tuyến downlink từ CS tới BS, tín hiệu mang thơng tin được đưa từ mạng chuyển mạch điện thoại công cộng (PSTN), Internet, hoặc từ một CS khác đưa vào trong “Radio Modem ” và được điều chế lên dải tần RF, IF hay giữ nguyên ở băng tần gốc BB, sau đó chúng mới được điều chế lên miền quang bởi Laser và truyền

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

đi trong sợi quang với suy hao nhỏ và nhiễu thấp tới BS. Nếu sử dụng phương pháp điều chế trực tiếp thì ta chỉ áp dụng cho các tín hiệu IF và BB, lúc đó tại BS cần có thêm thành phần nâng tần đưa lên tần số RF. Còn nếu truyền ở tần số RF ở băng tần mm thì cần thêm bộ điều chế ngoài EOM (External Optical Modulator). Ở BS, tín hiệu ở băng tần RF, IF hay BB sẽ được khơi phục lại bằng bộ tách sóng PD. Tín hiệu được khơi phục lại sẽ được chuyển lên tần số RF nếu là các tín hiệu ở băng tần IF hoặc BB và phát tới máy thu di động (mobile hosts) nhờ bức xạ bởi anten ra không gian. Chức năng giải điều chế và khôi phục thông tin sẽ được thực hiện tại các máy thu di động này.

1.3. Các thành phần cơ bản của tuyến RoF 1.4. Kỹ thuật truyền dẫn RoF

1.4.1. Các kỹ thuật điều chế tại đầu phát

1.4.1.1. Kỹ thuật điều chế trực tiếp (Direct Modulation – DM) 1.4.1.2. Kỹ thuật điều chế ngoài (External Modulation)

1.4.2. Các kỹ thuật tách sóng tại đầu thu

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

1.7. Kết luận chương

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

CHƯƠNG 2

CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG Ở PHẦN QUANG 2.1. Giới thiệu chương

Chương này giới thiệu các thành phần của hệ thống ở phần quang gồm những nội dung sau:

+ Khái niệm kỹ thuật RoF sử dụng khuếch đại quang và máy thu Coherence.

+ Máy thu Coherence.

+ Cấu tạo và nguyên lý hoạt động bộ khuếch đại EDFA. + Hệ số khuếch đại của EDFA.

+ Ưu điểm và nhược điểm của EDFA. + Các loại nhiễu trong máy thu Coherence.

+ Những ưu điểm và nhược điểm của hệ thống quang sử dụng máy thu Coherence.

2.2. Khái niệm kỹ thuật RoF sử dụng khuếch đại quang và máy thu Coherence

2.2.1. Giới thiệu 2.2.2. Đặc điểm

Máy thu quang đóng một vai trị rất quan trọng trong hệ thống thơng tin quang, nó có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu quang nhận được tại đầu ra của sợi quang thành tín hiệu điện ban đầu. Hình 2.1 trình bày sơ đồ khối tổng quát của một máy thu quang. Nó gồm một bộ ghép, một photodiode (bộ tách sóng quang) và một bộ giải điều chế và mạch điện tử thực hiện nhiệm vụ điều khiển và hồi tiếp. Bộ ghép tập trung tín hiệu quang vào bộ tách sóng quang. Các photodiode bán dẫn được sử dụng phổ biến vì tính tương thích của

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

DUT.LRCC

chúng với tồn bộ hệ thống quang.

Hình 2.1 Sơ đồ khối tổng quát của máy thu quang.

Bộ giải điều chế phụ thuộc vào dạng điều chế của tín hiệu ở máy phát. Các phương pháp điều tần và điều pha thường được sử dụng trong kĩ thuật tách sóng đồng tần và đổi tần. Hệ thống thông tin sợi quang sử dụng phương pháp điều chế cường độ - tách sóng trực tiếp (IM - DD). Bộ tách sóng trong trường hợp này được thực hiện bởi mạch quyết định nhằm phát hiện bít 1 hay bít 0 dựa vào biên độ tín hiệu đến. Tính chính xác của mạch quyết định phụ thuộc vào tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR của tín hiệu điện thu được từ bộ tách sóng quang.

2.3. Máy thu Coherence

Trong hệ thống Coherence, ánh sáng được quan niệm như dạng sóng điện từ trường tại tần số siêu cao (vài trăm ngàn GHz), và được xử lý như một sóng mang vơ tuyến nghĩa là có thể điều chế biên độ, tần số hoặc điều chế pha.

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thông tin quang Coherence

Khác với hệ thống IM-DD, trong hệ thống Coherence sự đổi tần của sóng mang quang (chuyển đổi thành tín hiệu điện) được thực hiện ở máy thu bằng cách trộn trường của tín hiệu đến với trường của bộ dao động nội trên bề mặt photodiode trước khi đưa vào bộ giải điều chế.

2.4. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động bộ khuếch đại EDFA

2.4.1. Khuếch đại quang EDFA

Cấu trúc tiêu biểu của bộ EDFA như hình 2.3 có thành phần chính gồm một đoạn ngắn cáp quang có lõi pha tạp khoảng 0,1% Erbium (một ngun tố hiếm có tính năng quang tích cực). Đoạn sợi pha tạp Erbium được kí hiệu là EDF. Ngồi ra EDFA cịn có một laser bơm để cung cấp năng lượng cho đoạn EDF, một bộ ghép bước sóng để ghép bước sóng ánh sáng tín hiệu và bước sóng ánh sáng bơm vào đoạn EDF. Bộ cách li quang thường được đặt ở ngõ vào và ra của bộ khuếch đại EDFA để ngăn chặn sự phản xạ tín hiệu vào trong bộ khuếch đại, chỉ cho phép truyền dẫn quang đơn hướng.

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

DUT.LRCC

Hình 2.3 Cấu tạo của bộ khuếch đại EDFA

2.4.2. Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại EDFA

2.5. Hệ số khuếch đại của EDFA 2.6. Ưu điểm và nhược điểm của EDFA

2.6.1. Ưu điểm 2.6.2. Nhược điểm

2.7. Các loại nhiễu trong máy thu quang Coherence trong hệ thống sử dụng bộ khuếch đại EDFA

2.7.1. Nhiễu bắn 2.7.2. Nhiễu nhiệt

2.7.3. Nhiễu phách giữa ASE và tín hiệu quang

2.8. Những ưu điểm và nhược điểm của hệ thống quang sử dụng máy thu Coherence

2.8.1. Ưu điểm 2.8.2. Nhược điểm

2.9. Kết luận chương

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

CHƯƠNG 3

THIẾT LẬP CÁC BIỂU THỨC BIỂU DIỄN ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG

3.1. Giới thiệu chương

Chương 3 sẽ trình bày về kênh truyền sóng, các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng lan truyền sóng và tập trung thiết lập các biểu thức biểu diễn đặc tính của hệ thống SCM/MMW/RoF, gồm các phần chính như sau:

+ Giới thiệu kênh truyền sóng trong mơi trường khơng gian tự do.

+ Các hiện tượng xảy ra trong lan truyền sóng.

+ Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng lan truyền sóng trong khơng gian tự do.

+ Kênh truyền theo phân bố Rayleigh. + Các khối trong Mobile Host.

+ Thiết lập các biểu thức biểu diễn đặc tính của hệ thống.

3.2. Giới thiệu kênh truyền sóng trong mơi trường khơng gian tự

3.4. Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng lan truyền sóng trong khơng gian tự do

3.4.1. Hiện tượng truyền sóng đa đường

Trong một hệ thống thơng tin vơ tuyến, các sóng bức xạ điện

</div>