Nghiên cứu kĩ thuật WAN không dây và ứng dụng

MỤC LỤC
Trang
CHƯƠNG 1.......................................................................................................................................... 6
GIỚI THIỆU CHUNG.............................................................................................................................. 6
HÌNH 1.1. BẢN VẼ PHOTOPHONE CỦA ALEXANDER GRAHAM BELL VÀ CHARLES SUMNER.....................7
HÌNH 1.2. KIẾN TRÚC KẾT NỐI IR ĐẦU TIÊN ĐƯỢC ĐỀ XUẤT BỞI GFELLER VÀ CÁC CỘNG SỰ..................8
BẢNG 1.1. SO SÁNH MỘT SỐ THUỘC TÍNH GIỮA FSO VÀ RF................................................................10
CHƯƠNG 2........................................................................................................................................ 19
KỸ THUẬT QUANG KHÔNG DÂY.......................................................................................................... 19
HÌNH 2.3. (A) SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG FSO THÔNG THƯỜNG; (B) SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG FSO SỬ DỤNG
MRR.................................................................................................................................................. 21
HÌNH 2.6. CÁC CẤU HÌNH MÁY THU: (A) MÁY THU KÊNH ĐƠN;(B) MÁY THU PHÂN TẬP GÓC; (C) MÁY
THU PHÂN TẬP HÌNH ẢNH................................................................................................................. 30
HÌNH 2.9. SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG FSO SỬ DỤNG SIM; (A)PHÍA PHÁT; (B) PHÍA THU TIA – TRANSIMPEDANCE; OBPF – OPTICAL BAND PASS FILTER (BỘ LỌC QUANG THÔNG DẢI).................................37
CHƯƠNG 3........................................................................................................................................ 58
ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG KHÔNG DÂY TRONG NHÀ........................................58
BẢNG 3.1: CÁC THAM SỐ CỦA LIÊN KẾT QUANG GIẢ ĐỊNH.................................................................65
BẢNG 3.2 CÁC THAM SỐ CỦA PHÂN TÍCH SỐ......................................................................................66
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................... 73


DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH
CHƯƠNG 1.......................................................................................................................................... 6
GIỚI THIỆU CHUNG.............................................................................................................................. 6
HÌNH 1.1. BẢN VẼ PHOTOPHONE CỦA ALEXANDER GRAHAM BELL VÀ CHARLES SUMNER.....................7
HÌNH 1.2. KIẾN TRÚC KẾT NỐI IR ĐẦU TIÊN ĐƯỢC ĐỀ XUẤT BỞI GFELLER VÀ CÁC CỘNG SỰ..................8
BẢNG 1.1. SO SÁNH MỘT SỐ THUỘC TÍNH GIỮA FSO VÀ RF................................................................10
CHƯƠNG 2........................................................................................................................................ 19
KỸ THUẬT QUANG KHÔNG DÂY.......................................................................................................... 19
HÌNH 2.3. (A) SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG FSO THÔNG THƯỜNG; (B) SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG FSO SỬ DỤNG
MRR.................................................................................................................................................. 21

HÌNH 2.6. CÁC CẤU HÌNH MÁY THU: (A) MÁY THU KÊNH ĐƠN;(B) MÁY THU PHÂN TẬP GÓC; (C) MÁY
THU PHÂN TẬP HÌNH ẢNH................................................................................................................. 30
HÌNH 2.9. SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG FSO SỬ DỤNG SIM; (A)PHÍA PHÁT; (B) PHÍA THU TIA – TRANSIMPEDANCE; OBPF – OPTICAL BAND PASS FILTER (BỘ LỌC QUANG THÔNG DẢI).................................37
CHƯƠNG 3........................................................................................................................................ 58
ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG KHÔNG DÂY TRONG NHÀ........................................58
BẢNG 3.1: CÁC THAM SỐ CỦA LIÊN KẾT QUANG GIẢ ĐỊNH.................................................................65
BẢNG 3.2 CÁC THAM SỐ CỦA PHÂN TÍCH SỐ......................................................................................66
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................... 73

2


KÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT
ADRs

Angle Diversity Receivers

Máy thu phân gập góc

APD

Avalanche Photo Diode

Đi-ốt APD

BER

Bit error rate

Tỷ lệ lỗi bit

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia
theo mã

CN

Continuous wave

Bước sóng liên tục

DBIR

Directed Beam Infrared Radiation

Bức xạ hồng ngoại búp
sóng trực tiếp

DFIR

Diffuse Infrared Radiation

Bức xạ hồng ngoại
khuếch tán

DPIM

Digital Pulse Interval Modulation

Điều chế khoảng xung
số

DS-CDMA

Direct-Sequence Freequency Division
Multiple Access

CDMA chuỗi trực tiếp

EMI

Electromagnetic Interference

Nhiễu điện từ

FDMA

Freequency Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia
theo tần số

FH-CDMA

Frequency-Hopping Freequency
Division Multiple Access

CMDA nhảy tần

FOV

Field Of View

Vùng nhìn thấy

FSO

Free Space Optical

Công nghệ quang không
dây

IM/DD

Intensity Modulation with Direct
Detection

Điều chế cường độ và
tách sóng trực tiếp

IR

Infrared

Hồng ngoại

IrDA

Infrared Data Association

Liên kết dữ liệu sử dụng
hồng ngoại

ISI

Inter Symbol Interference

Xuyên nhiễu giữa các
ký hiệu

LAN

Local Area Network

Mạng cục bộ

LD

Laser Diode

La-ze đi-ốt

LED

Light-Emiting Diode

Đi-ốt phát quang

3


LOS

Light Of Sight

Tầm nhìn thẳng

MAN

Metro Area Network

Mạng đô thị

M-ASK

Multiple Amplitude Shift Keying

Điều chế dịch biên M
trạng thái

M-FSK

Multiple Frequency Shift Keying

Điều chế dịch tần M
trạng thái

MLSD

Maximum-Likelihood Sequence
Detector

tách sóng dãy khả năng
giống nhất

M-PSK

Multiple Phase Shift Keying

Điều chế dịch pha M
trạngt hái

MRR

Modulated Retro Reflector

Điều chế đảo hướng

MSM

Multiple Subcarrier Modulation

Điều chế đa sóng mang
con

NASA

National Aeronautics and Space
Administration

Cục Quản trị Hàng
không và Không gian
Quốc gia

NLOS

Non Light of sight

Không có tầm nhìn
thẳng

NRZ

Non-Return to Zero

Mã không về không

OBPF

Optical band pass filter

Bộ lọc quang thông dải

OOK

On-Off Keying

Khóa bật tắt

OWC

Optical Wireless Communications

Truyền thông quang vô
tuyến

PAM

Pulse Amplitude Modulation

Điều chế biên độ xung

PDM

Pulse Duration Modulation

Điều chế độ rộng xung

PIN

Đi-ốt PIN

PPM

Pulse Position Modulation

Điều chế vị trí xung

QAM

Quadrature amplitude modulation

Điều chế biên cầu
phương

QDIR

Quasi-diffuse Infrared Radiation

Bức xạ hồng ngoại cận
khuếch tán

RF

Radio Frequent

Tần số vô tuyến

RZ

Return to Zero

Mã trở về không

4

SDMA

Space Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia
theo không gian

SIM

Subcarrier Invensity Modulation

Điều chế cường độ sóng
mang con

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SSM

Single Subcarrier Modulation

Điều chế sóng mang
con đơn

TCM

Trellis Coded Modulation

Điều chế mã lưới

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia
theo thời gian

TIA

trans-impedance

Trở kháng chuyển đổi

TV

Television

VLC

Visible Light Communication

Truyền thông ánh sáng
nhìn thấy

WAN

Wide Area Network

Mạng diện rộng

WDM

Wave Division Multiplexing

Ghép kênh theo bước
sóng

WDMA

Wavelength Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia
theo bước sóng

WLAN

Wireless Local Area Netwwork

Mạng cục bộ không dây

5


CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Lược sử phát triển của FSO
Free-Space Optics (FSO) không phải là một ý tưởng mới. Những người

lính thời Hy Lạp cổ đại đã từng sử dụng những cái khiên được đánh bóng, để gửi
mệnh lệnh chiến đấu cho nhau qua một khoảng cách rất xa, nhờ sự phản chiếu
của ánh sáng mặt trời. Gần đây hơn, những chiếc "máy quang báo" (heliographs)
đã được sử dụng để tiếp nhận các tín hiệu quân sự theo cách tương tự. Nhiều năm
trước, hải quân Anh đã từng bước dùng những chiếc đèn Aldis để chuyển các tín
hiệu Morse từ tàu này sang tàu kia. Trong vài năm qua, một số ít công ty, như
Terabeam, LightPointe và Cablefree Solutions, đã bắt đầu cung cấp cho các
doanh nghiệp những hệ thống quang học điểm nối điểm (point-to-point optical
systems) có thể gửi dữ liệu giữa các toà nhà.
FSO đòi hỏi việc truyền dữ liệu từ điểm này đến điểm khác bằng bức xạ
quang qua không gian. Mặc dù ý tưởng truyền thông tin bằng ánh sáng qua
không gian đã xuất hiện từ rất lâu,nhưng phải đến năm 1880 khi Alexander
Graham Bell phát minh ra Photophone thì công nghệ FSO mới chính thức được
biết đến. Trong thử nghiệm của mình, Bell đã điều chế bức xạ ánh sáng mặt trời
kết hợp cùng tín hiệu thoại và truyền dẫn với cự ly khoảng 200m. Điểm thu là 1
gương parabol với 1 khối selen ở tâm. Tuy nhiên, thử nghiệm không mấy thành
công, do giới hạn của trang thiết bị và sự không liên tục của bức xạ ánh sáng mặt
trời.

6


Hình 1.1. Bản vẽ Photophone của Alexander Graham Bell và Charles Sumner
Sau một thời gian dài không phát triển, cho đến đầu những năm 1960, việc
tìm ra nguồn quang, và quan trọng nhất là tia laze, đã đánh dấu bước phát triển
mới của công nghệ FSO. Những năm 1960 cho đến 1970, một loạt các thử
nghiệm đã được ghi nhận. Năm 1962, Phòng thí nghiệm MIT Lincolns bằng việc
sử dụng đi-ốt phát quang GaAs đã truyền dẫn tín hiệu truyền hình đi được
khoảng 30 dặm (48km). Tháng 3 năm 1963, một nhóm nghiên cứu làm việc tại
hãng hàng không North American đã thử nghiệm và giới thiệu chiếc TV laze đầu

tiên và tháng 5 năm 1963, tín hiệu thoại điều chế He-Ne laze đã được truyền 118
dặm (190km) từ đỉnh Panamint đến núi San Gabriel. Vào khoảng năm 1970, liên
kết laze đầu tiên để xử lý lưu lượng thương mại được xây dựng bởi Công ty điện
tử Nippon (NEC) của Nhật. Liên kết song công sử dụng laze He-Ne 0.6328 µm
giữa Yokohama và Tamagawa với cự ly 14km (Goodwin, 1970).
Năm 1970, Gfeller và các cộng sự đã đề ra ý tưởng sử dụng IR (Infrared)
là môi trường để phát thông tin giữa các đầu cuối máy tính mà không cần cáp
nối. Gfeller đã mô tả phương thức kết nối nhóm các đầu cuối máy tính ở tốc độ
thấp qua khoảng cách ngắn (50m) sử dụng bức xạ IR. Các thiết bị đầu cuối này
đặt cùng phòng, trao đổi thông tin qua vệ tinh điện-quang được gắn trên trần nhà.
Vệ tinh quang này chuyển tiếp thông tin sử dụng bức xạ IR đã được tán xạ như
sóng mang truyền tải thông tin giữa các đầu cuối máy tính. Bộ điều khiển của vệ
tinh được kết nối tới một host qua vòng ring như mô tả trong hình 1.2, mỗi vệ
tinh và đầu cuối máy tính gồm bộ thu phát IR có các hướng khác nhau.

7


Hình 1.2. Kiến trúc kết nối IR đầu tiên được đề xuất bởi Gfeller và các cộng sự
Nhưng sau đó, vì một số nhược điểm sau công nghệ FSO một lần nữa bị
bỏ ngỏ:
• Thứ nhất, hệ thống viễn thông hiện tại đã đủ để đáp ứng các yêu
cầu về thời gian.
• Thứ hai, hầu hết các nghiên cứu đều tập trung vào việc cải thiện độ
tin cậy của hệ thống.
• Thứ ba, hệ thống hoạt động trong không gian sẽ bị ảnh hưởng bởi
các hiện tượng khí quyển: sương mù, tuyết…
• Thứ tư, dưới sự tác động của các hiệu ứng không khí, rất khó để
xác định đúng hướng cần truyền, không có sẵn hệ thống theo dõi,
giám sát.

Trong khoảng thời gian trên, FSO tiếp tục được nghiên cứu và sử dụng
trong quân đội cho thông tin liên lạc mật. FSO còn được NASA và ESA nghiên
cứu phục vụ cho các ứng dụng không gian sử dụng trong các dự án như Mars
Laser Communication Demonstration (MLCD) and the Semiconductor-laser
Inter-satellite Link Experiment (SILEX).
Gần đây, với sự phát triển nhanh chóng và mạnh mẽ của các thiết bị quang
điện, và nhu cầu sử dụng băng thông lớn, việc hạn chế băng thông của các công
nghệ cũ, FSO một lần nữa được quan tâm. Các thành công của FSO trong lĩnh

8


vực quân sự đã khơi dậy sự quan tâm đưa FSO vào ứng dụng trong mạng truy
nhập dân sự, một số thử nghiệm thành công FSO được ghi nhận trong vài năm
qua là động lực khuyến khích, thúc đẩy các nhà đầu tư nghiên cứu vào lĩnh vực
này. Việc thương mại hóa và triển khai FSO vào hạ tầng truyền thông hiện nay
đang là nhu cầu hàng đầu.
1.2. Giới thiệu chung
Trong những năm gần đây, đã có sự chuyển dịch mạnh mẽ về nhu cầu sử
dụng thiết bị, từ cố định sang di động. Máy ảnh, máy quay kỹ thuật số, laptop
giúp người sử dụng lưu giữ và xử lý một lượng lớn thông tin. Thực tế này đã đòi
hỏi việc trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị di động với cơ sở hạ tầng cố định như
mạng đường trục, các thiết bị lưu trữ dữ liệu… Để giải quyết yêu cầu này, giải
pháp khả thi là sử dụng liên kết điện trực tiếp giữa các thiết bị di động và một
host qua đường truyền vật lý (cáp). Nhưng các kết nối vật lý này có nhược điểm
lớn là biệt là bất tiện cho người sử dụng.
Tần số vô tuyến (Radio Frequency – RF) khắc phục được hầu hết các
nhược điểm của một liên kết cố định. RF và mạng không dây sử dụng công nghệ
sóng mm có thể cung cấp lưu lượng hàng chục Mbps (kết nối điểm-đa điểm) và
hàng trăm Mpbs (kết nối điểm-điểm). Tuy nhiên, nó có hạn chế ở vấn đề băng

thông, việc cấp phép và sử dụng băng thông, sự ảnh hưởng của các băng không
được cấp phép…
Quang học không gian tự do (Free Space Optics – FSO) là việc truyền
chùm ánh sáng thấy đã được điều chế hoặc hồng ngoại qua không gian. 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. Cự ly hoạt động của một tuyến FSO từ vài trăm mét tới vài km. Hệ

9


thống FSO có thể hoạt động với cự ly khoảng vài km. FSO tầm nhìn thẳng (lineof-sight) cho phép truyền dữ liệu thoại, video với tốc độ lên đến 2.5 Gbps mà
không cần cáp hay việc cấp phép quang phổ.
Với các ưu điểm trên FSO là sự thay thế khả thi cho RF và hệ thống sóng
mm không dây trong mạng dữ liệu và thoại. Liên kết FSO tầm ngắn được sử
dụng để thay thế cho kết nối RF ở đoạn đầu hoặc cuối để cung cấp mạng băng
rộng cho các doanh nghiệp cũng như cầu nối băng thông tốc độ cao cho mạng
cục bộ (LAN), mạng đô thị (MAN) và mạng diện rộng (NAN) (Pentol, 1998).
Thuộc tính

FSO

RF

Giá thành

$

$$

Thiết kế vòng RF

Không

Có

Cấp phép băng thông

Không

Có

Tốc độ dữ liệu

100’s Mbps

10’s Mbps

Bảo mật

Cao

Thấp

Truyền qua tường

Không
Có
Bảng 1.1. So sánh một số thuộc tính giữa FSO và RF
Hiện nay, trên thị trường, hệ thống FSO song công có thể chạy với tốc độ
1.25 Gbps, phạm vi phủ sóng lên tới 4km với 2 nút tĩnh trong điều kiện thời tiết
tốt. FSO hoàn toàn trong suốt với các dạng truyền dẫn khác, nó có khả năng triển
khai nhanh chóng trong mạng truy nhập hiện nay. Thêm vào đó, người sử dụng
chỉ phải trả một chi phí phải chăng để có thể sử dụng băng thông lưu lượng dữ
liệu tốc độ cao. Có thể dễ dàng nhận thấy FSO là một công nghệ bổ sung khả thi
cho việc giải quyết các khó khăn của ngành truyền thông hiện tại. Tuy nhiên, vẫn
còn một bài toán khó cần được giải đáp là làm thế nào để đạt được độ khả dụng
cao trong điều kiện khí hậu xấu, sương mù dày, khói và truyền dẫn FSO cự ly xa.
1.2.1. Tổng quan về công nghệ
Truyền thông quang vô tuyến (Optical Wireless Communications –
OWC) là hệ thống truyền thông quang sử dụng môi trường vô tuyến làm kênh
truyền thông. OWC sử dụng dải sóng hồng ngoại và gần hồng ngoại (IR: 1-750
nm, gần IR: 750-950 nm). Thời gian gần đây, truyền thông quang học không dây

10


sử dụng IR đã và đang có những bước phát triển lớn. Một lượng lớn các công ty
và các tổ chức đã và đang đầu tư nghiên cứu nhằm khai thác, phát triển những lợi
thế, khắc phục các hạn chế của IR.
Truyền thông quang vô tuyến có một số ưu điểm như sau:
Công nghệ quang vô tuyến sử dụng IR với những ưu điển như cung cấp
băng thông rộng, đường truyền tốc độ cao (Gbps), không cần yêu cầu cấp phép,
không phải lo lắng về các quy định về phổ tần giữa các nước.. đang ngày một
phổ biến, nổi trội hơn công nghệ truyền thông vô tuyến RF về một số ứng dụng.
Ưu điểm khác của công nghệ IR là khả năng chống chịu nhiễu điện từ

(Electromagnetic Interference – EMI). Ngoài ra, IR không gây nhiễu và không bị
ảnh hưởng bởi các tần số vô tuyến điện. Do đó, IR được lựa chọn sử dụng trong
các môi trường mà nhiễu phải được cực tiểu hóa hoặc bị loại bỏ như trong môi
trường y tế, bệnh viện. Ví dụ Hagihina và cộng sự đã chỉ ra rằng mạng cục bộ
không dây (Wireless Local Area Netwwork – WLAN) phát và quản lý thông tin
bệnh nhân gây nhiễu cục bộ với các thiết bị y tế như máy điều hòa nhịp tim… có
thể gây ảnh hưởng đến bệnh nhân, trong trường hợp này, mạng LAN sử dụng IR
hiệu quả và an toàn hơn.
Một ưu điểm nữa của công nghệ IR là tính bảo mật cao. Do bức xạ IR
cũng giống với ánh sáng nhìn thấy, tức là có thể xuyên qua thủy tinh nhưng
không thể xuyên qua các bức tường, đồng nghĩa với việc khi tín hiệu IR được
phát ánh sáng mang thông tin bị giữ lại trong phòng (nếu không có vật cản trong
suốt giữa các phòng). Điều này có ý nghĩa thông tin bị ngăn không thoát ra
ngoài, tránh được việc bị phát hiện và nghe trộm.
Công nghệ IR với chi phí thấp, kích thước nhỏ, khả năng triển khai nhanh,
linh hoạt trong việc thiết lập các đường liên kết truyền thông tạm thời. Điều này
có được là do các hệ thống truyền thông IR sử dụng các thiết bị quang điện tử
được phát triển và cải tiến qua hàng chục năm; ví dụ như đi-ốt phát quang (LightEmiting Diode – LED) với thời gian đáp ứng nhanh, công suất bức xạ đầu ra cao,
laze đi-ốt (Laser Diode – LD) và bộ tách sóng photon đi-ốt (PIN).

11


Bên cạnh những ưu điểm trên, công nghệ IR cũng tồn tại những nhược
điểm: Liên kết có thể bị chặn bởi chướng ngại vật, làm tổn hao tín hiệu thu, hoặc
ngắt đường truyền hệ thống. Khi hoạt động trong môi trường có sự hiện diện của
các nguồn ánh sáng khác, nếu các nguồn ánh sáng này nằm trong phổ tần của
máy phát và máy thu IR sẽ gây pha tạp, dẫn đến giới hạn khoảng cách hệ thống.
Tuy có thể khắc phục được các nhược điểm trên bằng cách tăng mức công suất
quang ở máy phát, nhưng với mức phát xạ công suất cao, công nghệ này vẫn có

thể gây nguy hiểm tới võng mạc (cần có những quy định về an toàn cho mắt),
dẫn đến việc tồn tại giới hạn công suất phát để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong
truyền dẫn.
Ngoài ra, hệ thống quang vô tuyến còn bị ảnh hưởng bởi các hiện tượng
khí quyển như sương mù, tuyết… làm giảm khoảng cách và chất lượng truyền
dẫn tín hiệu khi hoạt động ở môi trường ngoài trời.
1.2.2. Cấu hình hệ thống
Hệ thống quang học không dây trong nhà và ngoài trời có thể được bố trí
theo môt số cấu hình khác nhau tùy trường hợp và yêu cầu cụ thể. Nhìn chung,
cấu trúc liên kết (topo mạng) được sử dụng trong hệ thống quang không dây
trong nhà (có thể được mở rộng cho các hệ thống ngoài trời) được phân loại theo
hai tham số:
• Tồn tại một tầm nhìn thẳng (không có chương ngại vật) giữa máy
thu và máy phát (Line Of Sight – LOS và không LOS – NLOS).
• Góc định hướng của máy phát, máy thu hoặc cả hai (có hướng, vô
hướng hay lai ghép-hybrid).

12


Hình 1.3. Các cấu hình khác nhau của liên kết không dây IR
Cấu hình khác nhau của hệ thống quang học không dây được miêu tả
trong hình 1.3. Với cấu hình tầm nhìn thẳng (LOS) máy phát và thu trực tiếp nhìn
thấy nhau, không có bất kỳ vật cản nào giữa chúng. Ngược lại, trong các hệ
thống NLOS, có các vật cản giữa mát phát và máy thu, vì vậy, trong các cấu hình
này, có sử dụng bề mặt phản chiếu để tạo ra đường liên kết thay thế.
Cấu hình LOS nâng cao hiệu quả sử dụng và hạn chế của nhiễu đa đường
(multipath distortion). Tuy nhiên, liên kết giữa máy phát và thu hay cả hai được
yêu cầu cùng lúc, dẫn đến hạn chế của hệ thống dựa trên cấu hình LOS. NLOS,
cho phép tăng cường liên kết vì nó cho phép hệ thống hoạt động ngay cả khi có

các chướng ngại giữa máy phát và máy thu, vấn đề của NLOS là nhiễu đa
đường.

13


Bảng 1.2. Đặc điểm của các cấu hình khác nhau trong hệ thống truyền thông
không dây IR
LOS

NLOS

Có hướng
(directed)

• Tầm nhìn trực tiếp giữa
máy phát và máy thu
• Chuẩn trực (Collimated)
chùm tia phát xạ từ máy
phát
• Vùng nhìn thấy (Field-ofview – FOV) tại máy thu
hẹp
• Tốc độ bit tối đa
• Tính linh hoạt bị hạn chế
• Tăng hiệu suất
• Dễ bị blocking
• Giảm thiểu nhiễu đa đường

• Không có tầm nhìn trực
tiếp giữa máy phát và

máy thu
• Sử dụng các bề mặt phản
chiếu
• Vùng nhìn thấy tại máy
thu hẹp
• Chuẩn trực chùm tia phát
xạ từ máy phát
• Tính linh hoạt bị hạn chế

Vô hướng
(non-directed)

• Tầm nhìn trực tiếp giữa
máy phát và máy thu
• Chùm tia phát xạ từ máy
phát rộng
• Vùng nhìn thấy tại máy thu
rộng
• Tính linh hoạt cao
• Ít bị blocking

• Không có tầm nhìn trực
tiếp giữa máy phát và
máy thu
• Chùm tia phát xạ từ máy
phát rộng
• Vùng nhìn thấy tại máy
thu rộng
• Tính linh hoạt cao
• Ít bị blocking

• Nhiễu đa đường cao

Lai ghép
(hybird)

• Tầm nhìn trực tiếp giữa
máy phát và máy thu
• Chuẩn trực chùm tia phát
xạ từ máy phát và chùm tia
phát xạ từ máy phát rộng
hoặc cùm tia phát xạ từ
máy phát rộng và vùng nhìn
thấy tại máy thu hẹp
• Tương đối linh hoạt
• Tương đối nhạy cảm với
blocking

• Không có tầm nhìn trực
tiếp giữa máy phát và
máy thu
• Chuẩn trực chùm tia phát
xạ từ máy phát và chùm
tia phát xạ từ máy phát
rộng hoặc cùm tia phát xạ
từ máy phát rộng và vùng
nhìn thấy tại máy thu hẹp
• Tương đối linh hoạt
• Tương đối nhạy cảm với
blocking

14


1.2.3. Các ứng dụng của FSO
Truyền thông quang vô tuyến có một số ứng dụng sau:
• Mạng vệ tinh: truyền thông quang vô tuyến có thể sử dụng để liên
lạc giữa vệ tinh-vệ tinh, vệ tinh-trái đất.
• Các thiết bị bay: ứng dụng cho vệ tinh-thiết bị bay và ngược lại.
• Không gian: sử dụng trong thông tin liên lạc giữa tàu vũ trụ-trái
đất, vệ tinh-tàu vũ trụ.
• Liên lạc mặt đất: được sử dụng để hỗ trợ mạng sử dụng cáp quang.
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 ăng-ten tới các thiết bị khác của mạng.
1.2.4. Các thách thức đối với hệ thống FSO
Giới hạn cơ bản của FSO do môi trường truyền dẫn gây ra. Ngoài việc
tuyết và mưa có thể làm cản trở đường truyền quang, FSO chịu ảnh hưởng mạnh
bởi sương mù và sự hỗn loạn của không khí. Những thách thức chính trong việc
thiết kế các hệ thống FSO như sau (Hình 1.4):

15


Hình 1.4. Những thách thức đối với FSO
a) Sương mù: Sương mù là một thách thức chính đối với hệ thống quang

học vô tuyến FSO. 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.
b) 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.
c) 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 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.
d) 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

16


tán góc và tầm nhìn (FOV). 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.
e) 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.
1.3. Tóm tắt và kết luận chương
Chương 1 đã tóm tắt lược sử phát triển và giới thiệu sơ lược về hệ thống
quang học không gian tự do, những lý do mà IR được lựa chọn để thay thế RF có
thể kể đến như:
• Băng thông cao, không cần cấp phép.
• Bảo mật tốt.
• Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ.
• Không bị ảnh hưởng bởi các bức xạ IR từ các phòng lân cận.
• Chi phí thấp, kích thước nhỏ, hạn chế công suất tiêu thụ.
Những khó khăn, hạn chế của công nghệ FSO cũng được đề cập đến, cung
cấp một cái nhìn tổng quan về công nghệ FSO, so sánh nó với công nghệ RF.
Những nhược điểm của FSO như:
• Khả năng tắc nghẽn đường truyền khi có chướng ngại vật.
• Ảnh hưởng bởi các nguồn ánh sáng nền.
• Suy hao cao của các tín hiệu IR khi truyền trong không khí.
• Hạn chế công suất phát để đảm bảo an toàn cho mắt.

17


• Ảnh hưởng của hiện tượng khí quyển.
Từ các ưu nhược điểm trên, ta có thể thấy rằng, không phải là công nghệ
IR sẽ thay thế hoàn toàn RF và ngược lại. Hai công nghệ này hoạt động song
song, bổ sung cho nhau, tùy trường hợp, yêu cầu và hệ thống cụ thể mà IR hay
RF được sử dụng.

Các cấu hình khác nhau cũng được đề cập tới trong chương, nêu lên
những ưu, nhược điểm và so sánh chúng với nhau. Hệ thống FSO sử dụng IR có
thể được phân chia theo góc định hướng của máy phát (có hướng, vô hướng, lai
ghép) hoặc sự tồn tại tầm nhìn thẳng giữa máy phát và máy thu (LOS, NLOS).
Một số mạng không dây sử dụng IR đã được sản xuất để phục vụ giáo dục
và thương mại. Đối với hệ thống ngoài trời tốc độ, thực nghiệm đã truyền dữ liệu
với tốc độ lên tới 40 Gbps, khoảng cách hơn 25 dặm, với hệ thống trong nhà, tốc
độ 155 Mbps và khoảng cách là 30 m.
Với các ưu điểm của mình FSO đang được đặc biệt quan tâm. Các nhà sản
xuất, nhà nghiên cứu đang nỗ lực tìm cách cải thiện, nâng cao tốc độ bit và đạt
được tỉ số tín hiệu trên nhiễu cao hơn, giảm công suất tiêu thụ của hệ thống. Các
cấu trúc liên kết và kiến trúc truyền thông quang học không dây mới được đề
xuất, rất nhiều thí nghiệm và phân tích kênh vô tuyến IR đã và đang được tiến
hành. Có thể tin tưởng rằng, trong tương lai, FSO sẽ đặc biệt phát triển triển
mạnh mẽ và ứng dụng rộng rãi.

18


CHƯƠNG 2
KỸ THUẬT QUANG KHÔNG DÂY
2. Hệ thống quang không dây
2.1. Mô tả hệ thống
2.1.1. Khái quát hệ thống
Sơ đồ khối của một hệ thống FSO điển hình được thể hiện trong hình 2.1.
Cũng như các hệ thống truyền thông khác, hệ thống FSO gồm ba khối chính:
khối phát, môi trường truyền dẫn và khối thu.

Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ thống FSO
Về cơ bản, FSO là việc chuyển các tín hiệu,dữ liệu,thông tin giữa hai điểm

bằng việc sử dụng bức xạ quang học qua một kênh không điều khiển (có thể là
chân không, nước, không khí; ở đây ta chỉ xem xét hệ thống FSO mặt đất và môi
trường truyền là không khí). Tín hiệu được truyền đi có thể được điều chế pha,
cường độ, tần số. Một liên kết FSO chủ yếu dựa trên LOS. Vì vậy để thiết lập
một liên kết, máy phát và máy thu phải trực tiếp nhìn thấy nhau và không có bất
kỳ chướng ngại vật nào giữa chúng.

19


Hình 2.2. Sơ đồ khối hệ thống quang vô tuyến (IR) điển hình
Hình 2.2 là sơ đồ khối hệ thống quang vô tuyến điển hình. Hệ thống
quang vô tuyến cơ bản gồm máy phát sử dụng LED hoặc LD, môi trường truyền
dẫn là không gian tự do, máy thu sử dụng đi-ốt APD hoặc đi-ốt PIN. Thông tin
thường ở dạng dữ liệu số được đưa tới mạch điện thực hiện điều chế nguồn ánh
sáng phát (LED/LD). Đầu ra của nguồn được đưa qua hệ thống quang (telescope
và bộ ghép (diplexer) quang), sau đó được phát qua môi trường không gian sử
dụng ăng-ten quang. Ở đầu thu sử dụng ăng-ten quang tập trung búp sóng quang,
sau đó đưa tới bộ tách sóng tín hiệu quang (đi-ốt PIN hoặc đi-ốt APD) và tiếp tục
được đưa tới phần xử lý tín hiệu điện nhằm khôi phục tín hiệu thông tin.
Dải bước sóng 780 nm – 950 nm là sự lựa chọn tốt nhất cho các hệ thống
quang vô tuyến trong nhà. Ở dải bước sóng này, các LED và LD với chi phí thấp
khả dụng; băng tần trùng với đáp ứng đỉnh của các photon đi-ốt silicon điện dung
thấp, chi phí thấp.
Hệ thống quang vô tuyến sử dụng công nghệ IR trong đó các đường liên
kết sử dụng điều chế cường độ và tách sóng trực tiếp (Intensity Modulation with
Direct Detection – IM/DD) sóng mang quang. Điều chế cường độ được thực hiện
bằng cách biến đổi dòng điều khiển của LED hoặc LD (điều chế trực tiếp). Tách
sóng trực tiếp được thực hiện bằng đi-ốt PIN hoặc đi-ốt APD, cung cấp dòng
điện tỷ lệ với công suất quang tới.

20


Hệ thống truyền thông FSO có hai dạng. Dạng thứ nhất là hệ thống FSO
thông thường (Hình 2.3a) cấu hình điểm điểm với hai điểm thu phát giống nhau.
Dạng thứ hai là hệ thống FSO sử dụng điều chế đảo hướng (Modulated Retro
Reflector – MRR). Liên kết laze truyền thông sử dụng MRR gồm hai thiết bị đầu
cuối khác nhau, liên kết bất đối xứng (Hình 2.3 b).

Hình 2.3. (a) Sơ đồ khối hệ thống FSO thông thường; (b) Sơ đồ khối hệ thống
FSO sử dụng MRR
Trong hình 2.3b, một đầu cuối sử dụng điều chế đảo hướng MRR, đầu
cuối còn lại là thiết bị truy vấn (interrogator). Bên truy vấn sẽ chiếu một chùm
laze có bước sóng liên tục (Continuous wave – CN) về phía MRR. Sau đó,
MRR điều chế chùm tia CN với các chuỗi dữ liệu đầu vào và đảo hướng trở về
bên truy vấn. Đầu truy vấn nhận và tổng hợp các chùm tia phản hồi và khôi
phục chuỗi dữ liệu. Có thể biến hệ thống đơn công trên, thành hệ thống bán
song công bằng cách thêm bộ tách sóng quang tại đầu cuối MRR.

21


2.1.2. Các tính năng cơ bản của hệ thống FSO
a) Băng thông điều chế lớn: Nói chung, tần số sóng mang quang học bao
gồm hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy và tia cực tím lớn hơn nhiều so với RF.
Trong bất cứ hệ thống truyền thông nào, lượng thông tin được chuyển đi đều
liên quan trực tiếp liên quan đến băng thông. Việc sử dụng sóng mang quang
học có dải tần từ 1012 – 1016 Hz tương đương với 2000 THz băng thông dữ liệu,
trong khi dải tần của RF chỉ khoảng 105.

b) Kích thước chùm tia hẹp: Một ưu điểm của bức xạ quang học là một
chùm tia laze thông thường có giới hạn nhiễu xạ phân kỳ (diffraction limit
divergence) khoảng 0.01 – 0.1 mrad (Killinger, 2002). Điều này có nghĩa là,
năng lượng truyền dẫn chỉ tập trung trong một vùng rất hẹp. Do đó hạn chế
được các ảnh hưởng của các vật gây nhiễu tiềm năng. Sự hạn chế về không
gian cho phép chùm tia laze hoạt động gần như độc lập, hầu như không giới
hạn trong việc tái sử dụng tần số, gây khó khăn trong việc chặn và ăn cắp dữ
liệu.
c) Không cần cấp phép quang phổ: Một vấn đề lớn với truyền thông sử
dụng RF là việc nghẽn phổ tần và ảnh hưởng của các sóng mang lân cận. Để
giảm thiểu vấn đề này, các cơ quan quản lý đã đưa ra các quy định nghiêm
ngặt. Cần phải trả một khoản chi phí lớn để được cấp phát một phần phổ tần
RF. Ngược lại, các tần số quang học hoàn toàn miễn phí và không cần cấp
phép, ít nhất là cho đến thời điểm hiện tại, giúp giảm thời gian, chi phí lắp đặt
ban đầu và triển khai hệ thống.
d) Giá rẻ: Với tốc độ dữ liệu như nhau, giá thành cho việc lắp đặt và triển
khai FSO thấp hơn so với RF. FSO có thể cung cấp một đường truyền với băng
thông như sợi quang nhưng không mất chi phí lắp đặt, chôn cáp. Dựa trên thực tế
triển khai của công ty fSONA, một công ty FSO có trụ sở tại Canada, chi phí cho
1 Mbps mỗi tháng sử dụng hệ thống FSO chỉ bằng một nửa so với các hệ thống
sử dụng RF (Rockwell và Meckerle, 2001).

22


e) Thời gian triển khai và tái triển khai nhanh: Chỉ mất khoảng 4 giờ để
lắp đặt và đưa một hệ thống FSO vào hoạt động. Yêu cầu tiên quyết là việc thiết
lập một tầm nhìn thẳng (không có chướng ngại vật) giữa điểm thu và phát.
f) Phụ thuộc vào thời tiết: Hiệu suất của hệ thống FSO phụ thuộc trực tiếp
vào điều kiện thời tiết. Thách thức lớn nhất của hệ thống FSO là tính không ổn

định. Không chỉ FSO, các hệ thống sử dụng RF hay liên lạc vệ tinh cũng bị mất
trong thời tiết mưa to hay bão.
Ngoài các đặc điểm kể trên, hệ thống FSO còn có các tính năng khác như:
• Được hưởng lợi từ hệ thống quang sợi và quang điện tử hiện có.
• Không gây nhiễu điện từ.
• Khác với hệ thống sử dụng dây, FSO không cố định và có thể phục
hồi.
• Bức xạ phải nằm trong giới hạn an toàn.
• Công suất tiêu thụ thấp.
• Yêu cầu tầm nhìn và sự chính xác trong lắp đặt (do chùm tia rất
hẹp).
2.1.3. Bước sóng hoạt động
Bước sóng hoạt động là tham số quan trọng của hệ thống FSO. Việc lựa
chọn bước sóng hoạt động dựa trên nhiều tham số kỹ thuật như sự an toàn cho
mắt, quỹ đường truyền, sự khả dụng của nguồn tốc độ cao và khả năng, chi phí
xây dựng hệ thống WDM.
Các hệ thống thông tin quang vô tuyến hiện nay sử dụng các bước sóng
trong khoảng từ 400 nm – 2000 nm. Bức xạ cực tím (bước sóng λ < 400 nm)
không được sử dụng. Các bước sóng λ > 2000 nm yêu cầu các thiết bị tách sóng
phải được làm mát để giảm nhiệt của các sóng mang.
Tương tự như thông tin sợi quang, hệ thống FSO sử dụng các băng tần:
• Băng tần có bước sóng 400 nm – 750 nm, đây là dải phổ ánh sáng
nhìn thấy. Băng tần này được sử dụng cho truyền thông ánh sáng

23


nhìn thấy (Visible Light Communication – VLC). Hiện tại người
ta mới chỉ sử dụng được có 3 dãy Red Green Blue (phát ra từ đèn
LED) trong toàn bộ vùng phổ này để truyền thông tin.

• Băng tần có bước sóng 750 nm – 950 nm (vùng gần hồng ngoại),
có thể sử dụng các photon đi-ốt.
• Băng tần có bước sóng khoảng 1300 nm.
• Băng tần có bước sóng khoảng 1550 nm.
Mỗi băng tần có các ưu nhược điểm riêng. Từ quan điểm kỹ thuật, bước
sóng xác định:
• Các tính chất vật lý của kênh truyền giữa máy phát và máy thu.
• Các tính chất vật lý cả các phần từ điện quang và quang.
• Công suất phát cực đại cho phép đảm bảo an toàn cho mắt.
Các tham số kỹ thuật quan trọng như tốc độ dữ liệu, khoảng cách truyền
dẫn, năng lượng tiêu thụ phụ thuộc vào dải bước sóng được lựa chọn. Tuy nhiên,
bước sóng hoạt động cũng quyết định các vấn đề kinh tế như chi phí chế tạo hay
tính gọn nhẹ của thiết bị.
Bảng 2.1. So sánh các đặc tính cơ bản của các băng tần
Đặc tính

550 nm

850 nm

1300 nm

1550
nm

Chi phí thiết bị

**

***

*

*

Độ dự trữ (link margin)

*

**

***

***

An toàn cho da và mắt

**

**

**

**

Độ nhạy cảm với ánh sáng
nền

*

**

***

***

Sử dụng WDM

*

*

*

*

Có sẵn thiết bị

**

***

**

**

Khả năng tương thích với
mạng có dây

*

*

**

**

***: thuận lợi; **: trung bình; *: không thuận lợi

24


2.2. Các thành phần hệ thống
Các phần tử như LD, LED, các máy thu tốc độ cao, các bộ khuếch đại
quang, điều chế quang… đã được nghiên cứu và phát triền khoảng hơn 30 năm
cho các hệ thống thông tin sợi quang. Các phần tử này cũng được sử dụng cho
các hệ thống quang vô tuyến.
2.2.1. Máy phát
Việc lựa chọn nguồn quang phụ thuộc phần lớn vào chi phí và chất lượng.
Đối với các hệ thống có chi phí không cao, có hai sự lựa chọn nguồn quang: đi-ốt
phát quang (LED) và laze đi-ốt (LD).
Ưu điểm của LED là chi phí thấp, mạch điều khiển đơn giản đi cùng với
đó là những nhược điểm, hiệu quả biến đổi điện-quang thấp, băng thông hạn chế,
độ rộng phổ lớn (khoảng 40nm), điều này không cho phép sử dụng bộ lọc quang
băng hẹp ở máy thu. Do đó, LED thường được sử dụng trong các ứng dụng có
chi phí thấp, tốc độ dữ liệu không quá 100 Mbps. LED có công suất thấp, do đó
có thể đáp ứng các yêu cầu về an toàn mắt mà không cần các phẩn tử hỗ trợ.
LED có thể hoạt động ở các bước sóng khác nhau phụ thuộc vào vật liệu. Bảng
2.2 mô tả các vật liệu bán dẫn và bước sóng phát xạ được sử dụng của LED.
Bảng 2.2. Vật liệu bán dẫn và bước sóng của LED

Vật liệu

Dải bước sóng (nm)

AlGaAs

800 – 900

InGaAs

1000 – 1300

InGaAsP

900 – 1700

Nhược điểm của LD là đắt hơn LED, yêu cầu mạch điều khiển phức tạp
hơn, nhưng có các ưu điểm như hiệu quả biến đổi điện-quang được cải thiện (các
đặc tính biến đổi điện thành quang là tuyến tính, sự tuyến tính trong biến đổi tín
hiệu là đặc biệt quan trọng khi các sơ đồ điều chế bậc cao như điều chế đa sóng
mang con hoặc điều chế nhiều mức được sử dụng), băng thông điều chế rộng và
độ rộng phổ hẹp. Do đó, LD phù hợp với các ứng dụng có tốc độ dữ liệu cao, tốc
độ LD cung cấp có thể lên tới hàng Gbps. LD là nguồn bức xạ có tính định

25