ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU LOẠN MẠNH

1

1

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.

Tác giả

Nguyễn Bá Lực


2

2

LỜI CẢM ƠN
Để có thể hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh
sự nỗ lực cố gắng của bản thân còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của các Thầy, Cô,
giúp đỡ của bạn bè trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và thực hiện luận văn
thạc sĩ.
Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. ĐẶNG THẾ NGỌC, Thầy
đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình, chu đáo và có những nhận xét, góp ý quý
báu giúp em trong suốt quá trình thực hiện luận văn cho đến khi luận văn được hoàn
thành.
Em xin gửi làm cảm ơn đến tất cả Thầy, Cô giáo Học viện Công nghệ Bưu
chính Viễn thông đã tận tình chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em được
nghiên cứu và học tập trong thời gian qua.
Hà Nội, tháng 5 năm 2014

Học viên

Nguyễn Bá Lực


3

3

MỤC LỤC


4

4

DANH MỤC HÌNH VẼ


5

5

DANH MỤC BẢNG BIỂU


6

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Nghĩa tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

AM

Amplitude Modulation

Điều chế biên độ

AWGN

Addition White Gaussian Noise

Nhiễu Gauss trắng cộng

BER

Bit Error Rate

Tỉ số lỗi bit

CDF

Cummulative Distribution Function

Hàm phân bố tích lũy

DD

Direct Detection

Tách sóng trực tiếp

FOV

Field of View

Góc nhìn

FM

Frequency Modulation

Điều chế tần số

FSO

Free Space Optics

Truyền thông quang không dây

IM

Intensity Modulation

Điều chế cường độ

LASER

Light Amplification by Stimulated

Khuếch đại ánh sáng bằng phát

Emission of Radiation

xạ kích thích.

LOS

Line of Sight

Tầm nhìn thẳng

NRZ

Non-Return to Zero

Không quay về 0

OOK

On-Off Keying

Khóa đóng mở

PD

Photo Diode

Bộ tách quang

PDF

Probability Density Function

Hàm mật độ xác suất

PM

Phase Modulation

Điều chế pha

PPM

Pulse Position Modulation

Điều chế vị trí xung

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

RZ

Return to Zero

Quay về 0

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu


7

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, sự gia tăng không ngừng của lưu lượng Internet và sự phát triển
nhanh chóng của các công nghệ quang đã tạo nên những bước chuyển biến mới mẻ
trong kiến trúc mạng viễn thông. Các hệ thống truyền thông quang sử dụng sợi
quang hiện nay có khả năng truyền tải với dung lượng lớn, kết nối nhiều người dùng
và cung cấp nhiều loại dịch vụ như thoại, fax, hình ảnh, số liệu. Cùng có khả năng
truyền dẫn tốc độ cao, nhưng các hệ thống truyền thông quang qua không gian FSO
(Free Space Optics) lại dễ dàng lắp đặt, di chuyển hoặc thiết lập lại cấu hình mạng
khi cần. FSO có độ an toàn cao vì sử dụng thông tin tầm nhìn thẳng LOS (line-ofsight) và tính hướng của búp sóng quang cao. Tương lai ngày càng đòi hỏi phải có
các giải pháp truyền dẫn tốc độ cao để đáp ứng yêu cầu của các doanh nghiêp, tổ
chức và cá nhân. Các giải pháp cũng cần phải có chi phí hiệu quả, triển khai nhanh,
truyền dẫn thông tin một cách an toàn và tin cậy. FSO có thể đáp ứng các yêu cầu
này và sẽ được sử dụng ngày càng nhiều trong tương lai.
FSO là công nghệ viễn thông sử dụng sự truyền lan ánh sáng trong không
gian để truyền tín hiệu giữa hai điểm, trong đó tín hiệu quang, thay vì truyền trong
sợi quang, được phát đi trong một búp sóng quang qua không gian. Tuy nhiên, môi
trường không khí không phải là một kênh truyền thông lý tưởng. Sự không đồng
nhất về nhiệt độ và áp suất của không khí dẫn tới sự thay đổi của chỉ số khúc xạ dọc

theo tuyến đường truyền dẫn, hay còn được gọi là sự nhiễu loạn không khí. Điều
này gây ra các hiện tượng khác nhau như suy hao chọn lọc tần số, sự hấp thụ, sự tán
xạ, và sự nhấp nháy. Khi đó, cường độ tín hiệu quan sát được ở bộ tách quang thăng
giáng một cách ngẫu nhiên. Những sự thăng giáng này làm tăng xác suất lỗi đường
truyền, do đó làm suy giảm hiệu năng của hệ thống FSO, đặc biệt là dưới ảnh hưởng
của nhiễu loạn mạnh. Do đó việc tiến hành nghiên cứu đánh giá hiệu năng của hệ
thống FSO dưới ảnh hưởng của nhiễu loạn mạnh là cần thiết.


8

Trong luận văn này, để tiện theo dõi, nội dung các chương được khái quát lại
như sau:

- Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền thông quang không dây, bao gồm khái
-

niệm, cấu trúc, ưu nhược điểm, cũng như các mô hình hệ thống FSO.
Chương 2: Giới thiệu về các yếu tố ảnh hưởng tới suy hao trong hệ thống FSO.
Nhiễu loạn không khí, giới thiệu về mô hình kênh nhiễu loạn không khí.
- Chương 3: Đánh giá ảnh hưởng của nhiễu loạn không khí mạnh lên hiệu
năng hệ thống FSO, là trọng tâm chính của luận văn..
Mặc dù đã hết sức cố gắng trong quá trình nghiên cứu, nhưng luận văn chắc
chắn sẽ không thể tránh khỏi được những thiếu sót. Vì vậy, em rất mong nhận được sự
thông cảm và góp ý, nhận xét của các thầy cô giáo để luận văn được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng 5 năm 2014

Nguyễn Bá Lực

9

CHƯƠNGTỔNG
I.
QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG
QUANG KHÔNG DÂY
Chương 1 tập chung giới thiệu về hệ thống truyền dẫn thông tin FSO, ưu
điểm và các thách thức của FSO khi triển khai thực tế, ngoài ra chương một còn đưa
ra các mô hình hệ thống FSO và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống.
I.1. Giới thiệu

Trong những năm gần đây, truyền thông quang tốc độ cao đã và đang đóng
vai trò hết sức quan trọng trong mạng viễn thông. Truyền thông quang được chia
thành 2 loại: truyền thông quang qua sợi quang và truyền thông quang vô tuyến.
Ngày nay, truyền thông quang vô tuyến đang nổi lên như là một công nghệ
có thể phát triển cho các ứng dụng vô tuyến băng rộng trong nhà và ngoài trời thế
hệ kế tiếp. Phạm vi các ứng dụng là từ các kết nối truyền thông không dây cự ly
ngắn cung cấp truy nhập mạng cho các máy tính xách tay, cho đến các đường kết
nối dặm cuối giữa các người dùng đầu cuối và hệ thống truyền thông sợi quang
đường trục hiện thời, và thậm chí cả các liên kết truyền thông laser trong không
gian vũ trụ [2]. Truyền thông quang vô tuyến trong nhà được gọi là truyền thông vô
tuyến hồng ngoại, còn truyền thông quang vô tuyến ngoài trời được biết phổ biến
dưới tên gọi truyền thông quang qua không gian (FSO). Trong ứng dụng truyền
thông vô tuyến hồng ngoại, các kết nối không trực tiếp, không yêu cầu sự thẳng
hàng một cách chính xác giữa máy phát và máy thu. Chúng có thể được phân loại
thành các kết nối tầm nhìn thẳng (LOS) và các kết nối khuếch tán. Kết nối LOS yêu
cầu một tuyến đường thông suốt, không bị tắc nghẽn cho việc truyền thông tin cậy,
trong khi các kết nối khuếch tán dựa vào các tuyến đường quang khác nhau từ các
phản xạ bề mặt. Tuy nhiên, FSO chỉ sử dụng các kết nối LOS trực tiếp và các kết

nối laser điểm-tới-điểm qua bầu khí quyển từ máy phát tới máy thu. Truyền thông
FSO qua khoảng cách một vài kilomet có thể đạt tới tốc độ dữ liệu hàng Gbps [2].


10

Công nghệ FSO cung cấp tiềm năng về dung lượng băng thông truyền thông
sử dụng các bước sóng quang không cần cấp phép. Tuy nhiên, tính không đồng nhất
về nhiệt độ và áp suất của bầu khí quyển dẫn tới sự thay đổi chỉ số khúc xạ dọc theo
tuyến đường truyền dẫn. Những sự thay đổi chỉ số khúc xạ này dẫn tới những sự
thay đổi về không gian và thời gian trong cường độ ánh sáng tới máy thu, kết quả là
tín hiệu bị pha-đinh. Trong truyền thông FSO, các kết nối bị pha-đinh do tác động
của bầu khí quyển có thể làm giảm hiệu năng một cách rõ rệt bằng việc làm tăng tỉ
số lỗi bit BER và độ trễ truyền dẫn [3].
Tóm lại, ta có thể định nghĩa FSO là công nghệ viễn thông sử dụng sự truyền
lan ánh sáng trong không khí để truyền tín hiệu giữa hai điểm [5]. Đây là công nghệ
truyền thông băng rộng tầm nhìn thẳng, trong đó tín hiệu quang, thay vì truyền
trong sợi quang, được phát đi trong một búp sóng quang qua không gian. Một mạng
truyền thông quang vô tuyến bao gồm các bộ thu-phát quang (gồm một khối thu và
một khối phát) cung cấp khả năng thông tin hai chiều. Mỗi khối phát quang sử dụng
một nguồn quang và một thấu kính để phát tín hiệu quang qua không gian tới khối
thu. Tại phía thu, một thấu kính khác được sử dụng để thu tín hiệu, thấu kính này
được nối với khối thu có độ nhạy cao qua một sợi quang. Một tuyến FSO bao gồm
hai bộ thu-phát được đặt trong tầm nhìn thẳng. Thông thường, các bộ thu phát được
gắn trên nóc các tòa nhà hoặc sau các cửa sổ (Hình 1.1). Cự ly hoạt động của một
tuyến FSO từ vài trăm mét tới vài km.


11

Hình 1. 1. Hệ thống truyền thông quang không dây

I.1.1. Các lợi thế và thách thức của hệ thống FSO
 Các lợi thế của FSO:
 Không yêu cầu cấp phép phổ tần vô tuyến.
 Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ.
 Dễ dàng triển khai lắp đặt.
 Khả năng an toàn cao.

Công nghệ FSO có thể đáp ứng rất nhiều ưu điểm, khi so sánh với công nghệ
cáp sợi. Các hệ thống FSO có thể được triển khai nhanh hơn nhiều mà không cần
sự cấp phép. Nó có thể được triển khai với rất nhiều các kiến trúc mạng, được lắp
đặt từ nóc nhà tới nóc nhà, cửa sổ tới cửa sổ hoặc tùy theo yêu cầu [5]. Nó cũng có
thể được thực hiện cho các ứng dụng xách tay, và trong một vài trường hợp việc sản
xuất này còn có chi phí thấp hơn các đường truyền cáp quang. Vì vậy, công nghệ


12

FSO giúp loại bỏ quá trình triển khai tốn kém. Truyền thông FSO analog có thể
giảm các thiết bị truyền dẫn khi so sánh với việc thực hiện số.
Khi so sánh với các đường truyền vô tuyến, các đường truyền FSO không
cần sự cấp phép, nó có tính đề kháng cao đối với các loại nhiễu điện từ EMI
(Electromagnetic Interference), và cung cấp tính bảo mật đường truyền tốt hơn. Hơn
nữa, các đường truyền FSO cũng có tính đề kháng cao với các nhiễu từ các nguồn
khác của bức xạ quang [6]. Chùm tia FSO không thể bị phát hiện với các bộ phân
tích phổ hay các máy đo RF. Sự truyền dẫn laser FSO là toàn quang và truyền dọc
theo đường nhìn thẳng LOS (Line-of-Sight) mà không thể bị can thiệp dễ dàng.
Các chùm laser được tạo bởi hệ thống FSO là hẹp và không nhìn thấy được. Dữ
liệu có thể được truyền qua kết nối được bảo mật bổ sung cho các mạng truyền

dẫn FSO.
Đối với nhà cung cấp giải pháp mạng đô thị băng thông rộng thì FSO là một
giải pháp vô cùng hiệu quả. Hệ thống này có thừa băng thông (200 THz trong phạm
vi bước sóng 700-1500 nm). Ví dụ với một mạng đô thị, việc triển khai một hệ
thống cáp quang hay thuê lại của nhà cung cấp dịch vụ đều là giải pháp tốn kém.
Với FSO, chúng ta có thể thiết lập một hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao một
cách nhanh chóng, an toàn và chi phí thấp, không tốn nhiều tiền để bảo dưỡng và
hạn chế tối đa các rủi ro khách quan. Hơn nữa còn góp phần làm cho bộ mặt của nội
thị văn minh hơn.
 Các thách thức đối với hệ thống FSO:
Giới hạn cơ bản của FSO do môi trường truyền dẫn gây ra [9]. Ngoài việc
tuyết và mưa có thể làm cản trở đường truyền quang, FSO chịu ảnh hưởng mạnh
bởi sương mù và sự nhiễu loạn của không khí. Những thách thức chính trong việc
thiết kế các hệ thống FSO như hình 1.2:


13

Hình 1. 2. Những thách thức đối với FSO

 Sương mù: Sương mù là một thách thức chính. Sương mù là hơi nước được tập hợp

từ những giọt nước nhỏ có đường kính vài trăm micro mét nhưng có thể làm thay
đổi đặc tính truyền lan của ánh sáng hoặc ngăn cản hoàn toàn sự truyền lan của ánh
sáng thông qua sự kết hợp của các hiện tượng hấp thụ, tán xạ và phản xạ. Điều này
có thể dẫn đến sự suy giảm mật độ công suất của búp sóng phát, giảm cự ly hoạt
động của tuyến FSO.
 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. Gió và sự thay đổi nhiệt độ 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 hỗn loạn. Các túi khí này đóng vai trò như những thấu kính có đặc
tính thay đổi theo thời gian và làm tỷ lệ lỗi bit của các hệ thống FSO tăng mạnh, đặc
biệt là khi có ánh sáng mặt trời.

 Sự trôi búp: Sự trôi búp xảy ra khi luồng gió hỗn loạn (gió xoáy) lớn hơn đường
kính của búp sóng quang gây ra sự dịch chuyển chậm nhưng đáng kể của búp sóng


14

quang. Sự trôi búp cũng có thể là kết quả của các hoạt động địa chấn gây ra sự dịch
chuyển tương đối giữa vị trí của laser phát và bộ thu quang.
 Giữ thẳng hướng phát-thu khi tòa nhà dao động: Giữ thẳng hướng giữa khối phát

và khối thu là rất quan trọng nhằm đảm bảo sự thành công của việc truyền tín hiệu.
Đây thực sự là vấn đề phức tạp khi sử dụng búp sóng hẹp phân tán góc và tầm nhìn.
Sự dãn nhiệt của các phần khung tòa nhà hoặc những trận động đất yếu có thể gây
ra sự lệch hướng. Trong khi sự dãn nhiệt có đặc tính chu kỳ theo ngày hoặc mùa thì
động đất lại không thể dự đoán được. Một nguyên nhân gây ra sự lệch hướng nữa là
gió, đặc biệt khi các thiết bị thu phát được đặt trên các tòa nhà cao. Sự dao động của
tòa nhà là một quá trình ngẫu nhiên làm ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống và
gây ra lỗi.
 Sự an toàn cho mắt: Với sự gia tăng của các hệ thống truyền thông quang vô tuyến

sử dụng các búp laser hướng về các vùng dân cư mật độ cao, sự an toàn cho mắt là
vấn đề đáng được quan tâm. Những hệ thống FSO này phải an toàn đối với mắt, có
nghĩa là chúng phải không gây nguy hiểm cho những người vô tình gặp phải các
búp sóng quang. Yêu cầu này rõ ràng sẽ tạo ra giới hạn trên cho cường độ búp sóng
phát của laser. Laser với công suất cao có thể được sử dụng an toàn hơn với các hệ

thống sử dụng bước sóng 1550 nm, hơn là với các hệ thống sử dụng bước sóng 850
nm và 780 nm. Điều này là do các bước sóng nhỏ hơn khoảng 1400 nm được tập
trung bởi giác mạc của mắt vào một điểm rơi trên võng mạc, có thể gây tác hại xấu
đến mắt.
Công suất laser an toàn có thể chấp nhận được tại bước sóng 1550 nm là lớn
hơn so với tại các bước sóng khác khoảng 50 lần. Hệ số 50 này là rất quan trọng do
nó cung cấp tới 17 dB dự trữ thêm, cho phép hệ thống có thể truyền qua khoảng
cách xa, qua các môi trường suy hao mạnh, và hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao. Tuy nhiên,
các hệ thống sử dụng bước sóng 1550 nm lại đắt hơn gấp 10 lần so với các hệ thống
sử dụng bước sóng 850 nm. Tốc độ dữ liệu cao nhất có thể đạt được với các hệ


15

thống thương mại sử dụng bước sóng 850 nm là 622 Mbps, và đối với các hệ thống
sử dụng bước sóng 1550 nm là 2.5 Gbps.
I.1.2. Ứng dụng của công nghệ FSO
 Kết nối tốc độ cao giữa các tòa nhà với FSO:

Hiện nay, các doanh nghiệp đang gặp phải vấn đề quá tải lưu lượng mạng tại
các kết nối giữa các tòa nhà. Với các doanh nghiệp sử dụng các mạng nội bộ dựa
trên tiêu chuẩn Gigabit Ethernet, các kết nối 2.048 (hoặc 1.544) Mbit/s giữa các tòa
nhà sẽ làm hạn chế lưu lượng kết nối. Trong khi đó, các doanh nghiệp với yêu cầu
số liệu lớn mong muốn truyền dẫn dung lượng cao giữa các trụ sở doanh nghiệp mà
không sử dụng các kết nối sợi quang chi phí cao. Việc lắp đặt sợi quang cũng phức
tạp và tốn thời gian hơn. Ngoài ra, việc xin cấp phép, vấn đề an ninh, đào rãnh, đặt
cáp và yêu cầu về môi trường cũng là các vấn đề trở ngại. Để loại bỏ các vấn đề trở
ngại trên và tăng lưu lượng kết nối, các doanh nghiệp có các tòa nhà nằm trong tầm
nhìn thẳng chuyển sang sử dụng các giải pháp FSO. Tóm lại, các giải pháp FSO cho
phép loại bỏ:

− Tắc nghẽn về lưu lượng.
− Yêu cầu xin phép và cấp giấy phép.
− Việc đào rãnh, cống và đặt cáp.
− Vấn đề liên quan tới hợp đồng thuê (cho thuê) tòa nhà.
− Tốn thời gian lắp đặt.
− Chi phí cao.
 Hệ thống FSO và vấn đề an ninh mạng:


16

Mặc dù FSO là công nghệ không dây nhưng nó không phát quảng bá tới bất
kỳ người nào và tất cả mọi người. FSO phát búp sóng ánh sáng hẹp, tần số rất cao tới
một nơi xác định. Do đó rất khó cho một cá nhân nào đó có thể thu trộm thông tin mà
không bị phát hiện. Các hệ thống FSO thường được lắp đặt càng cao càng tốt để các
phương tiện giao thông qua lại không làm ảnh hưởng tới búp sóng quang. Một con
chim có thể làm gián đoạn việc truyền thông tin, nhưng điều đó chỉ xảy ra trong chốc
lát và hệ thống sẽ nhanh chóng phục hồi. Trong khi đó, việc thu trộm thông tin đòi
hỏi phải đặt thiết bị trên đường đi của búp sóng trong khoảng thời gian dài.
Phải thừa nhận rằng việc đặt thiết bị thu trộm thông tin giữa hai khối FSO là
rất khó khăn do kích thước búp quang rất hẹp, khó xác định được vị trí búp, búp lại
thường được đặt ở rất cao và không gần bất cứ thứ gì. Việc phát hiện thiết bị thu
trộm là hoàn toàn có khả năng thực hiện được do búp quang trong tầm nhìn thẳng,
có thể sử dụng các máy quay phim để giám sát việc lắp đặt thiết bị thu trộm và
đường truyền của búp sóng quang để phát hiện bất cứ hoạt động khả nghi nào.
FSO là một công nghệ quang có thể kết nối cứ điểm nào trong mạng. FSO,
với khả năng của nó để trở thành lớp 1 và giao thức trong suốt, có thể tích hợp và tổ
chức liên kết với rất nhiều các phần tử mạng và giao diện. Điều này cho phép nó trở
thành một phần của họ các mạng quang. Một vài ứng dụng phổ biến được sử dụng
trong hệ thống FSO là:

•

Mở rộng mạng đô thị: hệ thống FSO có thể được triển khai để mở rộng

mạng vòng đô thị đã có sẵn hay kết nối tới các mạng khác
•

Khả năng kết nối doanh nghiệp: các kết nối LAN - LAN, mạng lưu trữ

SAN (storage area network), …
•

Kết nối dặm cuối (last - mile): đây là các đường truyền mà có thể tiếp

cận người sử dụng đầu cuối. Chúng có thể được triển khai điểm – điểm, điểm – đa
điểm hay các kết nối hình lưới…


17

•

Bổ sung cho cáp sợi quang: FSO cũng có thể được triển khai như đường

truyền dư để khôi phục cáp sợi.
•

Truy nhập: FSO có thể được triển khai trong các ứng dụng truy nhập như

truy nhập Gigabit Ethernet. Các nhà cung cấp dịch vụ có thể sử dụng FSO để xác

định các hệ thống vòng lặp cục bộ và để cung cấp các đường truyền dựa trên FSO
tới các doanh nghiệp.
•

Các công nghệ DWDM: với sự kết hợp của WDM và các hệ thống FSO,

các người sử dụng độc lập hướng tới xây dựng các vòng cáp sợi cho riêng họ,
nhưng có thể sở hữu một phần của vòng.
•

Truyền thông mạng tế bào: có thể được sử dụng để vận tải lưu lượng

giữa các trạm gốc và các trung tâm chuyển mạch trong các mạng 3G/4G, cũng như
việc vận chuyển tín hiệu đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) từ các ô macro
tới ô micro tới các trạm gốc.
Tóm lại, về mặt công nghệ, ứng dụng ít thách thức nhất là sử dụng FSO làm
đường truyền số liệu kết nối các tòa nhà đô thị (kết nối giữa các mạng LAN). Trong
ứng dụng này, cự ly tuyến FSO từ vài trăm mét cho tới vài km, việc triển khai FSO
đơn giản và tốn ít chi phí lắp đặt hơn bất kỳ loại cáp nào. FSO có thể sử dụng làm
đường truyền dẫn tốc độ cao nối người dùng Internet với nhà cung cấp hoặc các
mạng khác. Nó cũng có thể được sử dụng làm hệ thống mạng vòng đô thị để cung
cấp các kết nối tốc độ cao cho các doanh nghiệp. FSO có thể được dùng để mang
lưu lượng của mạng di động từ antenna tới các thiết bị khác của mạng. FSO thậm
chí có thể dùng để truyền số liệu giữa một tầu vũ trụ ở xa và một trạm ở gần trái đất.
I.2. Mô hình hệ thống FSO

Các thành phần chính trong hệ thống truyền thông quang không dây được
minh họa như trong hình 1.5.

18

Hình 1. 3. Sơ đồ khối của hệ thống truyền thống truyền thông quang không dây

I.2.1. Bộ phát
Dữ liệu đầu vào phía nguồn được truyền tới một đích ở xa. Phía nguồn có cơ
chế điều chế sóng mang quang riêng, chẳng hạn như điều chế laser, tín hiệu quang
sau đó sẽ được truyền đi qua kênh khí quyển. Các tham số của hệ thống phát quang
là kích cỡ, công suất và chất lượng búp sóng, các tham số này xác định cường độ
laser và góc phân kỳ nhỏ nhất có thể đạt được từ hệ thống. Phương thức điều chế
được sử dụng rộng rãi tại bộ phát là điều chế cường độ (IM), trong đó cường độ
phát xạ của nguồn quang sẽ được điều chế bởi số liệu cần truyền đi. Việc điều chế
được thực hiện thông qua việc thay đổi trực tiếp cường độ của nguồn quang tại bộ
phát hoặc thông qua bộ điều chế ngoài như bộ giao thoa MZI. Việc sử dụng một bộ
điều chế ngoài nhằm đảm bảo tốc độ dữ liệu đạt được cao hơn so với bộ điều chế
trực tiếp. Các thuộc tính khác của trường bức xạ quang như pha, tần số và trạng thái
phân cực cũng có thể được sử dụng để điều chế với cùng với dữ liệu/thông tin thông
qua việc sử dụng bộ điều chế ngoài.

• Bộ phát laser
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) có nghĩa là
khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích. Ngày nay, bộ phát laser trở thành một
phần tử thiết yếu trong hệ thống viễn thông, nó đóng vai trò là bộ phát chính trong


19

hệ thống thông tin quang nói chung và được ứng dụng trong thông tin quang trong
không gian tự do được xét đến trong đề tài này.
Ban đầu bộ phát laser được phỏng theo Master, một thiết bị có cơ chế tương

tự nhưng tạo ra tia vi sóng hơn là các bức xạ ánh sáng. Master đầu tiên không có
khả năng phát ra các chùm bức xạ liên tiếp và người tìm ra giải pháp khắc phục vấn
đề này là các nhà khoa học Nga, Nikolai Basov và Aleksandr Prokhorov. Năm 1964
hai nhà khoa học này vinh dự nhận giải Nobel vật lý cùng với tiến sỹ Townes.
Laser hồng ngọc, một laser chất rắn, được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1960,
bởi nhà vật lý Theodore Maiman tại phòng thí nghiệm Hughes ở Malibu, California.
Hồng ngọc là oxit nhôm pha lẫn crôm. Crôm hấp thụ ánh sáng màu xanh lá cây và
xanh lục, để lại duy nhất tia sáng màu hồng phát ra.
Cấu trúc cơ bản của Laser gồm nhiều lớp bán dẫn không đồng nhất để tạo
thành cấu trúc dị thể kép và được cấu tạo dưới dạng khoang cộng hưởng FabryPerot. Khoang cộng hưởng là một hình hộp chữ nhật sáu mặt có khả năng giam hãm
photon và cá hạt tải điện. Khoang cộng ưởng có kích thước rất nhỏ, dài từ 250 đến
500 µm, rộng từ 5 đến 15 µm và dày từ 0,1 đến 0,2 µm.
Hai tiếp giáp dị thể kép nằm phía dưới và phía trên lớp hoạt tính và chiết suất
của hai lớp hạn chế nhỏ hơn chiết suất lớp hoạt tính đã tạo ra khả năng giam hãm
photon và hạt tải điện theo chiều ngang.
Nguyên lý cấu tạo chung của một bộ phát laser gồm có: buồng cộng hưởng
chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang. Trong đó buồng cộng
hưởng với hoạt chất laser là bộ phận chủ yếu. Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất
laser, đó là một chất đặc biệt có khả năng khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng
bức để tạo ra tia laser. Khi một photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo
đó là một photon khác bay ra theo cùng hướng với photon tới. Mặt khác buồng cộng
hưởng có 2 mặt chắn ở hai đầu, một phản xạ hoàn toàn các photon khi bay tới, mặt
kia cho một phần photon qua một phần phản xạ lại làm cho các hạt photon va chạm
liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn. Vì thế cường độ chùm
laser được khuếch đại lên nhiều lần.


20

Hình 1. 4. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Laser

Ngoài ra, việc tạo tín hiệu phát cũng được thực hiện bởi các loại nguồn khác
nhau được mô tả trong bảng 1.1.
Bảng 1. 1. Các loại nguồn quang

Bước sóng

Loại

(nm)
~850

Ghi chú

Phát xạ mặt khoang Rẻ và có tính khả dụng
Không có hoạt động làm mát, mật độ
cộng hưởng dọc
công suất thấp, tốc độ lên tới ~10Gbps
Thời gian sống lâu

~1300/~1550

~10000

Fabry

–

Perot

Tiêu chuẩn an toàn cho mắt thấp hơn
Mật độ công suất cao hơn 50 lần

2
Phân phối – phát phản xạ (100nW/cm )
Tương thích với EDFA
Tốc độ cao, lên tới 40Gbps
Độ dốc hiệu quả 0.03-0.2 W/A
Đắt tiền và tương đối mới
Rất nhanh và độ nhạy cao
Thác lượng tử
Truyền dẫn trong sương mù tốt hơn
Thành phần chế tạo không có sẵn
Không thâm nhập qua thủy tinh


21

Gần hồng ngoại LED

Rẻ hơn
Mạch điều khiển đơn giản
Công suất và tốc độ dữ liệu thấp hơn

Trong dải bước sóng 700 – 10,000 nm có một số cửa sổ truyền hầu như trong
suốt với suy hao <0.2 dB/km. Các hệ thống FSO chủ yếu được thiết kế để hoạt động
trong dải 780-850 nm và 1520 – 1600 nm. Dải 780 – 850nm hầu như được sử dụng
rộng rãi bởi vì thiết bị và thành phần trong dải bước sóng này có sẵn và chi phí thấp.
Dải 1550 nm được quan tâm vì một số lý do sau: i) khả năng tương thích với các
mạng ghép kênh phân chia theo bước sóng cửa sổ thứ 3, ii) bảo vệ mắt (công suất

phát tại bước sóng 1550 nm có thể gấp 50 lần so với tại 850 nm), iii) giảm được
năng lượng mặt trời và tán xạ ánh sáng trong mây mù/sương mù. Vì vậy, ở dải 1550
nm có thể truyền được một công suất đáng kể vượt qua việc suy hao bởi sương mù.
Tuy nhiên hạn chế của dải 1550 nm độ nhạy giảm, chi phí linh kiện cao hơn và yêu
cầu liên kết chặt chẽ.
I.2.2. Bộ thu
Tại phía thu, trường quang được tập trung lại và được tách, cùng với sự xuất
hiện của xuyên nhiễu, méo tín hiệu, và bức xạ nền. Bên phía thu, các đặc tính quan
trọng là kích cỡ độ mở (aperture size) và số lượng photon, những đặc tính này xác định
lượng ánh sáng được tập trung và phạm vi tách trường quang của bộ tách quang.
Bộ thu hỗ trợ việc khôi phục các dữ liệu đã được phát đi từ phía phát. Bộ thu
bao gồm các thành phần sau: Bộ thu tín hiệu quang – tập hợp và tập trung các phát
xạ quang tới bộ tách sóng quang. Khẩu độ (độ mở) của bộ thu lớn sẽ giúp tập hợp
được nhiều phát xạ quang vào bộ tách sóng quang.
Bộ lọc thông dải quang – bộ lọc thông dải làm giảm lượng bức xạ nền.
Bộ tách sóng quang – PIN hoặc APD chuyển đổi trường quang đến thành tín
hiệu điện. Các bộ tách sóng quang thường được dùng trong các hệ thống truyền
thông quang hiện nay được tóm tắt trong bảng 1.2.


22

Mạch xử lý tín hiệu – có chức năng khuếch đại, lọc và xử lý tín hiệu để đảm
bảo tính chính xác cao của dữ liệu được khôi phục.
Do ảnh hưởng của điện dung bộ tách sóng, các bộ tách sóng tốc độ cao
thường có kích thước nhỏ hơn 70 µm và 30 µm tương ứng với tốc độ bit 2.5 Gbps
và 10 Gbps, cùng với việc hạn chế về góc mở, đòi hỏi sự kết nối chính xác. Góc mở
(FOV) của bộ thu là tỷ số của kích thước bộ tách sóng và chiều dài tiêu cự
FOV = d/f = dF#/D; trong đó d là đường kính bộ tách sóng, f là độ dài hiệu
dụng của tiêu cự, và D là độ mở của bộ thu. F# là chỉ số của f.

Đối với bộ thu kích thước 75µm, F# = 1 và D = 150 nm, FOV = ~0.5 mrad.
Bảng 1. 2. Bộ tách sóng FSO

Vật liệu/cấu trúc
Bước sóng
Silicon PIN
300 - 1100
Silicon PIN, với bộ

Đáp ứng
0,5

Độ nhạy
-34dBm; 155Mbps

Độ lợi
1

khuếch đại phối hợp 300 - 1100

0,5

-26dBm; 1,25Gbps

1

trở kháng
InGaAs PIN
Silicon APD
InGaAs APD

0,9
77
9

- 46dBm; 155Mbps
-52dBm; 155Mbps
-33dBm; 1,25Gbps

1
150
10

1000 - 1700
400 - 1000
1000 - 1700

Có hai loại bộ thu quang cơ bản: bộ thu không kết hợp và bộ thu kết hợp. Bộ
thu không kết hợp tách trực tiếp công suất tức thời của trường quang tập trung khi
chúng tới bộ thu, do đó thường được gọi là bộ thu tách trực tiếp hoặc tách công
suất. Loại bộ thu này là loại đơn giản nhất trong việc thực hiện và có thể được sử
dụng bất cứ khi nào thông tin truyền đi xuất hiện trong sự biến đổi công suất (ví dụ
IM) của trường quang. Đối với bộ thu kết hợp, hay còn gọi là bộ thu heterodyne,
trộn lẫn trường sóng ánh sáng cục bộ phát ra với trường ánh sáng thu được, và sóng
kết hợp này sẽ được tách photon. Loại bộ thu này thường được sử dụng khi thông
tin được điều chế dựa trên sóng mang quang sử dụng AM, FM hoặc PM, và là cần
thiết cho tách sóng FM hoặc PM.


23

Quá trình tách của các trường quang bị tác động bởi nhiều loại nguồn nhiễu
khác nhau xuất hiện tại bộ thu. Ba loại nguồn nhiễu chủ yếu trong truyền thông
FSO là: ánh sáng nền xung quanh, bộ tách photon gây ra nhiễu, và nhiễu nhiệt trong
mạch điện tử. Mặc dù bức xạ nền có thể được hạn chế bằng cách sử dụng bộ lọc
quang, nó vẫn gây ra nhiễu đáng kể trong quá trình tách. Nhiễu lượng tử của bộ tách
bắt nguồn từ sự ngẫu nhiên của quá trình đếm photon tại bộ tách photon. Nhiễu
nhiệt có thể được mô hình hóa dưới dạng nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN), có mức
phổ tỷ lệ thuận với nhiệt độ bộ thu.

I.3. Các yếu tố ảnh hưởng lên hiệu năng hệ thống FSO

 Nhiễu lượng tử
Nhiễu chủ yếu đi kèm với bộ tách quang được gọi là nhiễu lượng tử hay
nhiễu nổ. Khi một sóng ánh sáng chưa điều chế được đo bởi một bộ tách quang, ta
thu được hai thành phần dòng điện ở đầu ra. Phần tử thứ nhất là dòng DC, và phần
tử thứ hai là tín hiệu nhiễu lượng tử không mong muốn. Nhiễu lượng tử phát sinh từ
tính chất thống kê tự nhiên của sự sinh ra và tái hợp của các phần tử quang điện
riêng biệt khi một tín hiệu quang đi tới một bộ tách sóng quang. Chúng có mật độ
công suất bằng nhau tại tất cả các tần số. Nếu mạch điện tử sau bộ tách sóng quang
chỉ sử dụng băng thông tần số ∆f , giá trị trung bình bình phương biên độ dòng điện
của nhiễu lượng tử [10].
2
iSN
= 2eis ∆f

(1. 2)

trong đó e là độ lớn của điện tích electron và is là dòng tách quang trung bình
như trong công thức (1.1).

Đối với đi-ốt tách quang APD, ngoài nguồn nhiễu chủ yếu là nhiễu lượng tử,
còn có một dạng nhiễu liên quan với nhiễu thừa được tạo ra bởi quá trình nhân thác
ngẫu nhiên. Dạng nhiễu F(g) này được định nghĩa là tỉ số của nhiễu thực tế được tạo


24

ra trong một đi-ốt tách quang thác với nhiễu tồn tại khi tất cả các cặp sóng mang
được nhân bởi g và được cho bởi [10].
F ( g) =

trong đó

g2

g2
g2

(1. 2)

là hệ số nhân trung bình bình phương và có thể được xấp xỉ

bằng g2+x với x thay đổi trong khoảng 0 đến 1 tùy thuộc vào vật liệu và cấu trúc.Do
đó, trung bình bình phương biên độ dòng điện của nhiễu lượng tử đối với APD là:
i 2 SN

APD

= 2eis g 2 F ( g ) ∆f = 2eiM F ( g ) ∆f

(1. 2)

 Nhiễu nhiệt
Nhiễu nhiệt, hay còn gọi là nhiễu Johnson hoặc nhiễu Nyquist, được gây ra
bởi sự rối loạn nhiệt độ của điện tích các sóng mang đi qua một điện trở. Ở các
nhiệt độ trên nhiệt độ 0 tuyệt đối, năng lượng nhiệt của các điện tích sóng mang
trong bất cứ điện trở nào cũng dẫn tới sự thay đổi trong mật độ điện tích cục bộ.
Những điện tích thay đổi này gây ra các gradient điện áp cục bộ mà có thể tạo ra
một dòng điện tương ứng trong phần còn lại của mạch điện. Nếu các mạch điện chỉ
hoạt động với băng thông ∆f và điện trở RL là hằng số trong băng thông này, khi đó
trung bình bình phương biên độ dòng điện của nhiễu Johnson
i 2 JN =

4kT ∆f
RL

2
iJN

được cho bởi [4]
(1. 2)

trong đó k là hằng số Boltzmann và T là nhiệt độ tuyệt đối. Một cách để làm
giảm loại nhiễu này đó là làm nguội thành phần xuất hiện nhiễu tới một nhiệt độ
thấp hơn.


25

 Nhiễu dòng tối và nhiễu nền

Dòng tối là dòng điện tiếp tục chảy qua mạch định thiên của thiết bị ngay cả
khi không có ánh sáng tới đi-ốt tách quang. Nó phát sinh từ các điện tử và/hoặc lỗ
trống được tạo ra trong lớp tiếp giáp p-n của đi-ốt tách quang. Dòng tối chủ yếu phụ
thuộc vào loại vật liệu bán dẫn, nhiệt độ hoạt động, và điện áp định thiên; và đặc
trưng tỉ lệ theo exp(-Eg/kT). Dựa vào các loại vật liệu, các giá trị của dòng tối nằm
trong khoảng từ 100 pA đối với Si và lên tới 100 nA đối với Ge. Nhiễu nền được
gây ra bởi ánh sáng mà không phải là thành phần của các tín hiệu được truyền đi,
chẳng hạn như các ánh sáng ở xung quanh. Nếu đi-ốt tách quang không được cách
biệt với bức xạ nền thì sự xuất hiện của loại nhiễu này là không thể tránh khỏi. Do
tính rời rạc và tính ngẫu nhiên của cả dòng tối và bức xạ nền, những loại nguồn
nhiễu này đều tương tự như nhiễu lượng tử.

 Sự lệch chùm sáng – Góc lệch của chùm sáng so với tầm nhìn thẳng ban đầu khiến
cho bộ thu không thu được tín hiệu.

 Sự mở rộng của chùm sáng – Mở rộng chùm sự phân kỳ của chùm sáng do tán xạ.
Do đó làm giảm mật độ công suất thu được.

 Sự nhấp nháy của chùm sáng – Sự thay đổi mật độ công suất trong không trung tại
mặt phẳng thu gây ra bởi sự can thiệp của nhiễu nhỏ có trong chùm quang.

 Sự suy giảm tính nhất quán trong không gian – Sự nhiễu loạn của không khí cũng
gây ra tổn thất về tính nhất quán (kết hợp) về pha của chùm quang. Điều này đặc
biệt ảnh hưởng mạnh cho các bộ thu làm việc dựa trên nguyên lý trộn photon (ví dụ
trong bộ thu nhất quán).

 Sự biến động phân cực – Kết quả từ sự thay đổi trạng thái của phân cực của chùm
quang thu được sau khi đi qua môi trường nhiễu loạn. Tuy nhiên, lượng phân cực
biến động là không đáng kể khi một bức xạ quangngang đi qua vùng không khí
nhiễu loạn.