Đánh giá hiệu năng hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật điều chế cường độ sóng mang phụ

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

NGUYỄN NGỌC TÚ

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO SỬ DỤNG
KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ CƯỜNG ĐỘ SÓNG MANG PHỤ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI-2016


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

NGUYỄN NGỌC TÚ

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO SỬ DỤNG
KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ CƯỜNG ĐỘ SÓNG MANG PHỤ
CHUYÊN NGÀNH
MÃ SỐ

:
:

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS. ĐẶNG THẾ NGỌC

HÀ NỘI-2016


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất cứ công trình nào.
Học viên:

Nguyễn Ngọc Tú


LỜI CẢM ƠN
Luận văn Thạc sĩ này đƣợc thực hiện tại Học viện Công nghệ Bƣu chính
Viễn thông dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của PGS.TS Đặng Thế Ngọc. Học viên xin
bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy đã định hƣớng khoa học, liên tục quan tâm,
tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Xin chân thành cảm
ơn các nhà khoa học, tác giả các công trình công bố đƣợc trích dẫn trong luận văn
đã cung cấp nguồn tƣ liệu quý báu, những kiến thức liên quan trong quá trình hoàn
thành luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Học viện, Hội đồng bảo vệ luận văn, Khoa
Quốc tế và Đào tạo sau đại học đã tạo điều kiện để học viên đƣợc thực hiện và hoàn
thành nghiên cứu của mình. Học viên xin gửi lời tri ân đến các quý thầy cô đã tận
tình truyền đạt kiến thức và chỉ bảo trong thời gian học tập tại Học viện.
Cuối cùng là sự biết ơn Ba Mẹ, gia đình, những ngƣời bạn đã chăm sóc, hỗ
trợ, động viên, cảm thông và chia sẻ về các khía cạnh của cuộc sống trong thời gian

qua.
Hà Nội, tháng 06 năm 2016
Học viên:

Nguyễn Ngọc Tú


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii
DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .................................................................... v
DANH SÁCH BẢNG ...............................................................................................vii
DANH SÁCH HÌNH VẼ ........................................................................................ viii
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG QUA
KHÔNG GIAN ........................................................................................................... 6
1.1. Lịch sử ............................................................................................................. 6
1.2. Đặc điểm của FSO ........................................................................................... 9
1.3. Các ứng dụng của hệ thống FSO ................................................................... 11
1.4. Mô hình hệ thống FSO .................................................................................. 12
1.4.1. Bộ phát/thu ............................................................................................. 14
1.4.2. Kênh truyền ............................................................................................ 18
1.5. Các thách thức đối với hệ thống FSO. ........................................................... 24
1.6. Kết luận chƣơng 1 .......................................................................................... 25
CHƢƠNG 2 - MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN
THÔNG QUANG QUA KHÔNG GIAN ................................................................. 26
2.1. Tổng quan về kênh truyền FSO ..................................................................... 26
2.2. Mô hình nhiễu loạn Log-normal .................................................................... 29
2.3. Giới hạn của mô hình nhiễu loạn log - normal .............................................. 33
2.4. Mô hình nhiễu loạn Gamma - gamma ........................................................... 34

2.5. Mô hình nhiễu loạn hàm mũ âm .................................................................... 38
2.6. Kết luận chƣơng 2 .......................................................................................... 39
CHƢƠNG 3 - ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO SỬ DỤNG KỸ
THUẬT ĐIỀU CHẾ CƢỜNG ĐỘ SÓNG MANG PHỤ ......................................... 41
3.1. Đặt vấn đề ...................................................................................................... 41
3.1.1. Kỹ thuật điều chế SIM và mô hình hệ thống SIM - FSO . ..................... 42


3.1.2. Ảnh hƣởng của nhiễu loạn và nhiễu trên chòm sao tín hiệu sóng mang
phụ .................................................................................................................... 45
3.2. BER của hệ thống SIM - FSO với kênh truyền tuân theo mô hình nhiễu loạn
không khí log - normal.......................................................................................... 46
3.2.1. Sóng mang phụ sử dụng điều chế BPSK. ............................................... 46
3.2.2. Sóng mang phụ sử dụng điều chế M - ary PSK ..................................... 51
3.2.3. Sóng mang phụ sử dụng điều chế DPSK ............................................... 52
3.2.4. Phân tích hiệu năng của hệ thống sử dụng đa SIM ................................ 54
3.2.5. Xác suất mất liên lạc trên kênh truyền tuân theo mô hình nhiễu loạn
không khí log - normal ..................................................................................... 56
3.3. Hiệu năng của hệ thống SIM - FSO với các kênh truyền tuân theo mô hình
nhiễu loạn không khí gamma - gamma và hàm mũ âm ........................................ 58
3.3.1. Xác suất mất liên lạc trong kênh truyền tuân theo mô hình nhiễu loạn
không khí hàm mũ âm ...................................................................................... 60
3.4. Kết luận chƣơng 3 .......................................................................................... 61
KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP .......................................... 62
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................. 65
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 69
PHỤ LỤC A.......................................................................................................... 69
PHỤ LỤC B .......................................................................................................... 71
PHỤ LỤC C .......................................................................................................... 79

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
3G
4G

FOV

Tiếng Anh
Third generation
Fourth generation
Asynchronous digital subscriber
loop
Avalanche photodetector
Additive white Gaussian noise
Bit error rate
Band pass filter
Bits per second
Binary phase shift keying
Code division multiple access
Direct current
Differential phase shift keying
Federal communications
commission
Field of view

FSO

Free-space optics

GaAs

Gallium arsenide

Ge

HDTV

Germanium
Hufnagel-Valley model of index
of refraction structure parameter
High-definition television

HFC

Hybrid Fiber Coaxial

IMD
ISI
LED
LOS

Inter-modulation distortion
Inter symbol interference
Light emitting diode
Line of sight
Mars laser communication
demonstration
M-level amplitude shift keying
M-level frequency shift keying

ADSL
APD
AWGN
BER
BPF
bps
BPSK
CDMA
DC
DPSK
FCC

H-V

MLCD
M-ASK
M-FSK

Tiếng Việt
Mạng thế hệ thứ 3
Mạng thế hệ thứ 4
Đƣờng dây thuê bao số bất đối
xứng
Thiết bị tách sóng quang thác
Nhiễu Gaussian trắng cộng
Tỷ lệ lỗi bit
Bộ lọc thông dải
Số bít trên giây
Điều chế khóa dịch pha nhị phân

Đa truy nhập phân chia theo mã
Dòng điện một chiều
Điều chế dịch pha vi sai
Uỷ ban truyền thông liên bang
Tầm nhìn
Truyền thông quang qua không
gian
Hợp chất hóa học của gallium và
asen – chất bán dẫn
Nguyên tố germani
Mô hình H – V cho chỉ số tham
số cấu trúc khúc xạ
Truyền hình độ nét cao
Hệ thống lai ghép cáp sợi quang
- đồng trục
Méo điều biên
Nhiễu liên ký tự
Diode phát quang
Tầm nhìn thẳng
Dự án của NASA về FSO trong
không gian vũ trụ
Điều biên bậc M
Điều tần bậc M


M-PSK
OBPF
Ofcom
OOK

QPSK
RF
RT

M-level phase shift keying
Optical band pass filter
Office of communications
On-off keying
Optical Wireless
Communications
Probability density function
p-type-intrinsic-n-type
photodetector
Outage probability
Pulse position modulation
Quadrature amplitude
modulation
Quadrature phase shift keying
Radio frequency
Receiver telescope

RZ

Return to zero

S.I.

Scintillation index
Semiconductor-laser intersatellite link experiment

OWC
pdf
PIN
Pout
PPM
QAM

SILEX
SIM

Subcarrier intensity modulation

SNR

Signal to noise ratio

TIA

Trans-impedance amplifier

Điều pha bâc M
Bộ lọc thông dải quang học
Cơ quan quản lý truyền thông
Điều chế khóa đóng - mở
Truyền thông quang không dây
Hàm mật độ xác suất
Bộ tách sóng quang photodiode
Xác suất mất liên lạc
Điều chế vị trí xung
Điều chế biên độ cầu phƣơng

Điều chế pha trực giao
Sóng cao tần/vô tuyến
Thấu kính thu
Xung mã đƣờng truyền định
dạng RZ
Chỉ số nhấp nháy
Thí nghiệm liên kết vệ tinh bằng
laser bán dẫn
Điều chế cƣờng độ sóng mang
phụ
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
Bộ khuếch đại biến đổi trở
kháng


vii

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 1.1: Các nguồn quang ......................................................................................15
Bảng 1.2: Bộ tách sóng FSO .....................................................................................16
Bảng 1.3: Các phần tử khí có trong kênh truyền ......................................................19
Bảng 3.1: Giá trị của K 1 và K 0 với các điều kiện giới hạn nhiễu khác nhau ..........49
Bảng 3.2: Thông số mô phỏng ..................................................................................50
Bảng 3.3: Tham số cƣờng độ pha đinh cho nhiễu loạn không khí............................58


viii

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Photophone truyền giọng nói bằng cách phản chiếu ánh sáng ...................7

Hình 1.2: Hệ thống FSO thông thƣờng .....................................................................13
Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ thống FSO ..........................................................................13
Hình 1.4: Cấu tạo bộ phát/thu của hệ thống FSO .....................................................14
Hình 1.5: Kênh truyền qua không gian với các luồng xoáy nhiễu loạn ....................23
Hình 2.1: Pdf log - normal với E l  =1 với dải phƣơng sai bức xạ log - irradiance
σl2 =[0,1;0,2;0,5;0,8] . ..................................................................................................... 33

Hình 2.2: Pdf gamma - gamma với ba mức độ nhiễu loạn khác nhau, gồm nhiễu
loạn yếu, trung bình và mạnh. ...................................................................................37
2

Hình 2.3: S.I. dựa vào phƣơng sai cƣờng độ log - intensity Cn2 =10-15m 3 và λ=850 nm
...................................................................................................................................37
Hình 2.4: Các giá trị α và β dƣới các chế độ nhiễu loạn khác nhau : yếu, trung
bình, mạnh và bão hoà ..............................................................................................38
Hình 2.5: Pdf hàm mũ âm với các giá trị khác nhau của I 0 .....................................39
Hình 3.1: Sơ đồ khối của SIM - FSO: (a) phía phát và (b) phía thu .........................43
Hình 3.2: Đặc tuyến đầu ra của một nguồn quang đƣợc điều khiển bởi một tín hiệu
sóng mang phụ là chỉ số điều chế quang ...................................................................44
Hình 3.3: BER dựa trên bức xạ nhận đƣợc trung bình trong nhiễu loạn yếu dƣới
những điều kiện giới hạn nhiễu khác nhau với Rb =155Mbps và

σ l2 =0,3

................51

Hình 3.4: Sơ đồ khối của một tuyến FSO sử dụng DPSK trong điều chế SIM: (a)
phía phát và (b) phía thu............................................................................................53
Hình 3.5: BER dựa trên bức xạ thu đƣợc của hệ thống SIM - FSO với các kỹ thuật
điều chế đa sóng mang phụ khác nhau trong nhiễu loạn không khí yếu

σ l2 =0,3 , λ=850nm

và cự ly tuyến truyền dẫn là 1km .................................................54


ix

Hình 3.6: BER dựa trên SNR chuẩn cho hệ thống FSO đa sóng mang phụ trong
nhiễu loạn không khí yếu với N= 1,2,5,10 và

σ l2 =0,1

.............................................56

Hình 3.7: Xác suất mất liên lạc dựa trên công suất dự trữ trong kênh truyền tuân
theo mô hình nhiễu loạn log - normal với σl2 =  0,1;0,3;0,5;1 ...................................58


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, chúng ta đã đƣợc chứng kiến nhu cầu ngày càng
tăng của ngƣời dùng đầu cuối về băng thông trong truyền thông không dây, nhằm
hỗ trợ các dịch vụ băng rộng nhƣ: truyền hình độ nét cao (HDTV), gọi video trên
điện thoại di động Video call, hội nghị truyền hình, truy cập Internet tốc độ cao,
..v..v. Với nhu cầu ngày càng tăng đối với các dịch vụ đa phƣơng tiện chất lƣợng
cao, sự đòi hỏi băng thông rộng hơn, tốc độ nhanh hơn, cũng nhƣ các yêu cầu khác
dự kiến sẽ tăng cao hơn trong thập kỷ tới.
Trong mạng truy nhập, một số công nghệ đang đƣợc sử dụng để giải quyết

nhu cầu truyền dẫn của ngƣời dùng đầu cuối bao gồm các công nghệ dựa trên cáp
đồng, ghép lai cáp sợi quang - đồng trục (HFC) và cáp sợi quang, các công nghệ
không dây băng rộng sóng cao tần (RF)/sóng vi ba. Do nhu cầu toàn cầu về băng
thông ngày càng tăng, một thực tế cực kỳ rõ ràng rằng cáp đồng/cáp đồng trục và
các công nghệ vô tuyến tế bào/sóng vi ba với những hạn chế nhƣ giới hạn băng
thông, tắc nghẽn phổ, các vấn đề an ninh, giấy phép đắt đỏ và chi phí cao trong việc
lắp đặt và khả năng tiếp cận sẽ không thể đáp ứng nhu cầu sắp tới.
Truyền thông quang không dây (OWC) là một công nghệ tiên tiến đã đƣợc
phát triển khoảng ba thập kỷ qua và đang đƣợc chú ý nhiều hơn khi nhu cầu về lƣu
lƣợng tiếp tục tăng. OWC là một trong những công nghệ thay thế hứa hẹn nhất cho
các ứng dụng trong nhà và ngoài trời, giải quyết các vấn đề tắc nghẽn nút cổ chai tại
"dặm cuối" trong các thị trƣờng truy cập băng rộng mới nổi [39]. Một trong các ứng
dụng ngoài trời nổi bật và có tính khả thi cao của OWC là truyền thông quang qua
không gian (FSO). FSO sẽ đóng một vai trò quan trọng nhƣ là một công nghệ bổ
sung cho hệ thống RF trong tƣơng lai, giúp giải quyết bài toán kinh tế tại các khu
vực nông thôn có mật độ dân cƣ thƣa thớt, hoặc các khu vực địa lý đặc biệt - gặp
khó khăn trong việc lắp đặt cáp quang, triển khai hạ tầng mạng hoặc các khu vực
thành phố có mật độ nhà cao tầng cao.


2

Liên kết FSO cố định giữa các toà nhà đã đƣợc thiết lập từ lâu và ngày nay
tạo thành một phân khúc sản phẩm thƣơng mại riêng biệt trong mạng cục bộ và các
mạng đô thị. FSO có khả năng truyền dẫn tƣơng đƣơng truyền thông quang có dây
tốc độ cao, lên đến hàng Gbps cho dữ liệu, thoại và video đồng thời qua không gian
với sản phẩm thƣơng mại thế hệ thứ năm của công ty LightPointe Communications,
Inc [42].
Định dạng tín hiệu On - Off Keying (OOK) đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong
các hệ thống FSO thƣơng mại sẵn có. Tuy nhiên, không gian không phải là một

kênh truyền thông lý tƣởng. Nhiễu loạn không khí gây ra hiện tƣợng kênh pha đinh
sẽ yêu cầu các mạch dò ngƣỡng OOK để có hiểu biết về sự biến thiên cƣờng độ tín
hiệu sóng mang và mức nhiễu của kênh pha đinh, nhằm đạt hiệu năng cao trong
việc tách tín hiệu. Thực tế này đã dẫn đến việc nghiên cứu giải pháp điều chế cƣờng
độ sóng mang phụ (SIM) trong truyền thông FSO và kỹ thuật điều chế này đang thu
hút đƣợc nhiều sự quan tâm nghiên cứu [21].
SIM là một kỹ thuật đƣợc "mƣợn" từ truyền thông vô tuyến đa sóng mang đã
đƣợc triển khai rất thành công trong các ứng dụng nhƣ truyền hình số, LANs, đƣờng
dây thuê bao số bất đối xứng ADSL, công nghệ truyền thông không dây thế hệ thứ
tƣ 4G [17]. Việc nghiên cứu SIM trong FSO là điều cấp thiết vì lý do sau, bao gồm:
-

Lợi ích nhận đƣợc từ các phần tử truyền thông RF đã đƣợc phát triển,

chẳng hạn nhƣ bộ tạo dao động ổn định và các bộ lọc dải hẹp .
-

Tránh đƣợc sự cần thiết phải sử dụng ngƣỡng thích nghi theo yêu cầu

của điều chế OOK nhằm tối ƣu hiệu năng hệ thống FSO.
-

Có thể đƣợc sử dụng để tăng dung lƣợng truyền tải số liệu từ các

ngƣời dùng khác nhau trên các sóng mang phụ khác nhau.
-

Yêu cầu băng thông tƣơng đối hấp hơn so với điều chế vị trí xung

(PPM).

Mặc dù vẫn còn có một số thách thức trong việc thực hiện SIM trong các hệ
thống FSO:


3

-

Công suất phát trung bình tƣơng đối cao do một nguồn quang sẽ ON

trong suốt quá trình truyền tải của cả hai số nhị phân '1' và '0'; không giống nhƣ
trong OOK, nguồn quang chỉ ở trạng thái ON trong quá trình truyền các bit '1'. Việc
tăng số lƣợng các sóng mang phụ dẫn đến tăng công suất phát trung bình vì giá trị
tối thiểu của tín hiệu điện thành phần giảm (trở nên âm) và các yêu cầu điện áp DC
tăng. Dẫn đến hiệu suất sử dụng năng lƣợng kém và đặt một ràng buộc về số lƣợng
các sóng mang phụ có thể đƣợc cung cấp khi sử dụng đa SIM.
-

Khả năng méo tín hiệu do tính phi tuyến vốn có của tia laser cắt xén

tín hiệu khi qua điều chế.
-

Yêu cầu đồng bộ hoá nghiêm ngặt ở phía thu.

Nhận thấy tính thiết thực của đề tài, học viên xin chọn chủ đề "Đánh giá
hiệu năng hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật điều chế cƣờng độ sóng mang phụ"
làm đề tài luận văn tốt nghiệp thạc sĩ của mình.
2. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Về cơ bản, công nghệ FSO liên quan đến việc truyền tải số liệu/thông tin giữa

hai điểm sử dụng bức xạ quang làm tín hiệu sóng mang. Các số liệu đƣợc truyền có
thể đƣợc điều chế cƣờng độ, pha hoặc tần số của sóng mang quang. Một liên kết
FSO cơ bản dựa trên kết nối tầm nhìn thẳng (LOS), do đó phải đảm bảo cả máy
phát và máy thu trực tiếp nhìn thấy nhau mà không có bất kỳ sự cản trở nào trong
đƣờng truyền của chúng. Môi trƣờng truyền dẫn trong hệ thống FSO mặt đất là
không gian.
Có rất nhiều loại khác nhau của sơ đồ điều chế phù hợp cho các hệ thống truyền
thông quang qua không gian nhƣ OOK, PPM, SIM. Trong đó, SIM đƣợc phân loại
thành điều pha (PSK–SIM), điều tần (FM-SIM) và điều biên (AM-SIM) [38]. Trên
thế giới, kỹ thuật điều chế SIM trong FSO đang thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm
nghiên cứu [30].
Tại Việt Nam, trong những năm gần đây, nghiên cứu về FSO đã đƣợc thực hiện
bởi một số nhóm nghiên cứu thuộc Học viện Công nghệ Bƣu chính Viễn thông [16]
và Đại học Bách Khoa Hà Nội [35]. Tính toán, thiết kế tối ƣu truyền thông tin
quang không dây ứng dụng trong điều kiện khí hậu Việt Nam cũng đã đƣợc thực
hiện bởi các tác giả thuộc Trƣờng Đại học Bách khoa Đà Nẵng [1].


4

3. Mục tiêu, đối tƣợng, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu
Mục tiêu của luận văn nhằm phân tích và đánh giá hiệu năng của hệ thống
FSO sử dụng kỹ thuật SIM trong môi trƣờng nhiễu loạn không khí. Trong đó, đối
tƣợng nghiên cứu là hệ thống FSO , đƣợc xét trong phạm vi gồm hệ thống FSO sử
dụng kỹ thuật SIM và hiệu năng hệ thống.
Các phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc sử dụng trong luận văn gồm có các công
cụ toán học và giải tích để xây dựng công thức biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu
năng hệ thống vào các tham số hệ thống. Ngoài ra, học viên cũng sử dụng phần
mềm Matlab để khảo sát hiệu năng hệ thống.
4. Cấu trúc luận văn

Nội dung của luận văn đƣợc trình bày trong ba phần chính nhƣ sau:
1) Phần mở đầu
2) Phần nội dung: bao gồm ba chƣơng:
Trong Chƣơng 1 có tiêu đề "Tổng quan về hệ thống truyền thông quang
qua không gian", học viên đƣa ra một cái nhìn tổng quan về hệ thống truyền thông
quang qua không gian cho các ứng dụng ngoài trời, các thách thức đối với hệ thống
FSO.
Trong Chƣơng 2 có tiêu đề "Mô hình kênh truyền trong hệ thống truyền
thông quang qua không gian", các mô hình mô tả các hàm mật độ xác suất (pdf)
của các biến động bức xạ sẽ đƣợc thảo luận cụ thể, gồm ba mô hình : log-normal,
gamma-gamma và hàm mũ âm.
Trong Chƣơng 3 có tiêu đề "Đánh giá hiệu năng hệ thống FSO sử dụng
kỹ thuật điều chế cường độ sóng mang phụ", học viên sẽ tập trung phân tích hiệu
năng của các hệ thống FSO sử dụng cả sóng mang phụ đơn và đa sóng mang phụ
dƣới ảnh hƣởng của nhiễu loạn không khí, dựa trên phƣơng pháp tách sóng trực tiếp
với bộ tách sóng PIN.


5

3) Phần kết luận
Phần "Kết luận và định hướng nghiên cứu tiếp" gồm hai mục nhƣ tiêu đề.
Trong phần "Kết luận", học viên trình bày tóm tắt các nội dung, kết quả đạt đƣợc ,
xác định những giới hạn ràng buộc để đáp ứng các mục tiêu hiệu năng đề ra. Những
hƣớng mở có thể triền khai ở các công trình nghiên cứu tiếp theo sẽ đƣợc trình bày
trong mục "Đề xuất, kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài".
Nội dung chi tiết về các kết quả nghiên cứu đạt đƣợc của học viên đƣợc trình
bày theo khuôn khổ của các chƣơng, mục tiếp theo. Học viên nhận thấy nội dung
chƣơng 1 và chƣơng 2 có tính tổng quan về lý luận, đƣợc thực hiện thông qua việc
tập hợp, nghiên cứu tài liệu, tạp chí, cơ sở lý thuyết để phân tích, đánh giá hiệu năng

hệ thống trong chƣơng 3.


6

CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN
THÔNG QUANG QUA KHÔNG GIAN
Các nội dung được trình bày trong chương này gồm lịch sử ra đời và phát
triển, mô hình hệ thống, các phần tử trong hệ thống (phát-laser, thuphotodetector...), đặc điểm, thách thức, vấn đề an ninh mạng, an toàn laser, ứng
dụng của hệ thống FSO.

1.1. Lịch sử
Truyền thông FSO hay truyền thông laser là một công nghệ ra đời đã khá lâu,
trong đó thông tin đƣợc truyền qua không gian từ một điểm này tới một điểm khác
nhờ bức xạ quang. Khoảng năm 800 trƣớc Công Nguyên, ngƣời Hy Lạp cổ và La
Mã đã sử dụng lửa để báo hiệu và vào những năm 150 trƣớc công nguyên, các bộ
lạc da đỏ Châu Mỹ sử dụng các cột khói cho cùng một mục đích liên lạc, báo hiệu
và truyền tin. Các kỹ thuật truyền tín hiệu thông qua ánh sáng khác nhƣ trụ truyền
tin thị giác, hay còn gọi là Semaphore đã đƣợc các nhà thám hiểm, hàng hải ngƣời
Pháp sử dụng vào những năm 1790; nhƣng những gì có thể đƣợc gọi là truyền thông
quang đầu tiên là máy truyền giọng nói bằng tia sáng do Alexander Graham Bell
cùng các phụ tá của mình phát minh vào năm 1880 tại phòng thí nghiệm Volta ở thủ
đô Washington và đặt tên là photophone [2]. Trong thí nghiệm của mình, Bell điều
chế các bức xạ mặt trời với tín hiệu thoại và truyền nó qua một khoảng cách khoảng
200 mét. Bộ thu gồm một gƣơng parabol phẳng mỏng, ánh sáng mặt trời đã đƣợc
điều chế đập vào tế bào quang điện selenium đƣợc đặt tại tiêu điểm của chiếc gƣơng
này để biến đổi thông điệp thành dòng điện. Bộ thu máy điện thoại hoàn tất hệ
thống này. Tuy nhiên, thí nghiệm trên chƣa thực sự thành công về mặt thƣơng mại,
do nguồn nhiễu quá lớn từ thiết bị và bức xạ mặt trời làm giảm chất lƣợng đƣờng
truyền.

7

Nguồn quang (Mặt trời)
Qúa trình điều chế
Gương

Bộ thu

H nh 1.1: Photophone truyền giọng nói bằng cách phản chiếu ánh sáng

Vận mệnh của FSO thay đổi vào những năm 1960 với sự ra đời của các
nguồn quang, đặc biệt là laser. Một loạt các thí nghiệm FSO gây xôn xao đƣợc ghi
nhận trong những năm đầu thập niên 1960 đến 1970. Một số trong chúng bao gồm:
cự ly tuyến truyền dẫn ngoạn mục của tín hiệu truyền hình qua khoảng cách 30 dặm
(48 km) sử dụng diode phát quang (LED) GaAs bởi các nhà nghiên cứu làm việc tại
phòng thí nghiệm MIT Lincoln vào năm 1962 [9]; một cự ly tuyến truyền dẫn kỷ
lục 118 dặm (khoảng 190 km) của tín hiệu thoại đƣợc điều chế bằng laser He - Ne
giữa dãy Panamint và núi San Gabriel, Hoa Kỳ tháng 5 năm 1963 [9]; và truyền
hình qua laser đầu tiên vào tháng 3 năm 1963 đƣợc thực hiện bởi một nhóm các nhà
nghiên cứu làm việc tại hãng North American Aviation [9]. Các liên kết laser đầu
tiên dùng để xử lý lƣu lƣợng mang tính thƣơng mại gắn liền với Nhật Bản bởi công
ty Nippon Electric Company (NEC) vào khoảng năm 1970. Liên kết này chính là hệ
thống FSO đƣợc điều chế bằng laser He - Ne truyền song công giữa Yokohama và
Tamagawa, với khoảng cách 14 km [9].
Từ thời gian này, FSO đã tiếp tục đƣợc nghiên cứu và sử dụng chủ yếu bởi
quân đội để thông tin liên lạc bí mật. FSO cũng đã đƣợc nghiên cứu rất nhiều cho
các ứng dụng trong không gian vũ trụ của NASA và ESA với các chƣơng trình nhƣ
Mars Laser Communication Demonstration (MLCD) và thí nghiệm liên kết vệ tinh

8

bằng laser bán dẫn (SILEX) tƣơng ứng [14]. Mặc dù, FSO trong không gian vũ trụ
nằm ngoài phạm vi nội dung luận văn, nhƣng nó là một bƣớc tiến đáng kể trong
thập kỷ vừa qua, FSO mặt đất với khoảng cách gần đã đƣợc chứng minh truyền dẫn
thành công trong không gian giữa các vệ tinh với tốc độ dữ liệu lên đến 10Gbps
[13]. Nhƣng những hiểu biết ban đầu về các kỹ thuật cần thiết để xây dựng một hệ
thống truyền thông laser sẵn dùng, tính hữu ích và thực tiễn của một hệ thống
truyền thông laser gần đây có vấn đề vì nhiều lý do [9]. Thứ nhất, hệ thống truyền
thông hiện có là đủ để xử lý các yêu cầu về mặt thời gian. Thứ hai, số lƣợng nghiên
cứu đáng kể đã đƣợc yêu cầu nhằm cải thiện độ tin cậy của các thành phần để đảm
bảo hệ thống hoạt động đáng tin cậy. Thứ ba, một hệ thống hoạt động trong không
gian luôn luôn bị gián đoạn do ảnh hƣởng của sƣơng mù dày đặc. Thứ tƣ, việc sử
dụng các hệ thống quang trong không gian có thể không xét tới hiệu ứng thời tiết,
nhƣng yêu cầu trỏ chính xác và phải thƣờng xuyên theo dõi chúng. Vì những vấn đề
trên, cho đến tận bây giờ, FSO đã từng không đƣợc chú ý nhiều trong mạng truy
nhập.
Với sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị quang điện, FSO hiện đang
chứng kiến một sự "tái sinh". Ngoài ra, nhu cầu ngày càng cao hơn về băng thông
với các ứng dụng mới nổi ngụ ý rằng thói quen sử dụng một công nghệ truy nhập để
kết nối tới ngƣời dùng đầu cuối đã lạc hậu. Những nguyên do này cùng với những
thành công đƣợc ghi nhận của FSO trong các ứng dụng quân sự đã dấy lên sự quan
tâm muốn "trẻ hoá" các ứng dụng dân sự của nó trong mạng truy nhập. Một số thử
nghiệm thành công đƣợc ghi lại trong vài năm qua tại các nơi trên thế giới đã
khuyến khích đầu tƣ hơn nữa trong lĩnh vực này [8], [32]. Về mặt thƣơng mại hoá,
FSO hiện nay nổi lên với vai trò nhƣ một công nghệ bổ sung cho các hệ thống
không dây của sóng vô tuyến và sóng millimet trong việc triển khai dữ liệu, thoại và
video đáng tin cậy và nhanh chóng. RF và sóng milimet dựa trên các mạng không

dây có khả năng cung cấp tốc độ dữ liệu từ hàng chục Mbps (điểm - đa điểm) tới vài
trăm Mbps (điểm - điểm). Tuy nhiên, chúng có một số hạn chế do tắc nghẽn phổ,
dải tần đƣợc cấp phép và nhiễu từ dải tần không đƣợc cấp phép, băng thông và dải


9

tần so với FSO . Các liên kết tầm ngắn FSO đƣợc sử dụng nhƣ là một sự thay thế
cho các liên kết RF trong các dặm cuối hoặc dặm đầu để cung cấp băng thông rộng
cho gia đình và văn phòng trong mạng truy nhập, cũng nhƣ xây dựng một "cây cầu"
băng thông cao giữa các mạng diện rộng WAN và mạng cục bộ. Hệ thống FSO
song công cung cấp 1,25 Gbps giữa hai nút tĩnh đã trở nên phổ biến trên thị trƣờng
hiện nay, các hệ thống FSO hoạt động ổn định trong mọi điều kiện thời tiết trong
một phạm vi lên đến 3,5 km. Năm 2008, hệ thống FSO 10 Gbps đầu tiên đã đƣợc
giới thiệu trên thị trƣờng , trở thành công nghệ không dây thƣơng mại sẵn có tốc độ
cao nhất [18]. Các nỗ lực để tiếp tục tăng lƣu lƣợng hơn nữa thông qua các hệ thống
truyền thông tích hợp FSO/cáp quang và các hệ thống FSO ghép kênh quang theo
bƣớc sóng hiện đang ở giai đoạn thử nghiệm.
Những hoài nghi trƣớc đó về sự hiệu quả, tính khả thi của FSO thƣơng mại
vào những năm 1980 cũng nhanh chóng mờ dần nhờ vào số lƣợng các nhà cung cấp
dịch vụ, các tổ chức, chính phủ và các cơ sở tƣ nhân tích hợp FSO vào cơ sở hạ tầng
mạng hiện có của họ [32], [15].
FSO mặt đất hiện nay đã đƣợc chứng minh là một công nghệ bổ sung hữu
hiệu trong việc giải quyết các thách thức truyền thông đƣơng thời, đặc biệt là yêu
cầu tốc độ dữ liệu/băng thông cao của ngƣời dùng với chi phí phải chăng. Thực tế ,
FSO trong suốt với các loại lƣu lƣợng và các giao thức dữ liệu, khiến nó tích hợp
vào mạng truy nhập hiện tại nhanh hơn nhiều. Tuy nhiên, các ảnh hƣởng lên kênh
truyền qua không gian nhƣ sƣơng mù dày đặc, khói và nhiễu loạn không khí cũng
nhƣ mục tiêu đạt 99,999% độ khả dụng vẫn là những thách thức lớn nhất đối với
FSO mặt đất tầm xa.

1.2. Đặc điểm của FSO
Đặc điểm cơ bản của công nghệ FSO gồm:
Băng thông điều chế rộng - Trong bất kỳ hệ thống thông tin liên lạc nào,
lƣợng dữ liệu truyền dẫn đều có liên quan trực tiếp đến băng thông của sóng mang
điều chế. Băng thông dữ liệu cho phép của FSO có thể lên đến 20% tần số sóng
mang. Sử dụng một sóng mang quang với dải tần số khoảng 1012 - 1016 Hz có thể


10

cung cấp lên đến 2000 THz băng thông dữ liệu. Do đó, truyền thông quang đảm bảo
một lƣu lƣợng thông tin tăng so với các hệ thống thông tin liên lạc dựa trên tần số
vô tuyến điện. Điều này đơn giản vì trên phổ điện từ, dải tần số sóng mang quang
(bao gồm tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy và tia tử ngoại) lớn hơn nhiều lần so
với dải tần số vô tuyến. Các dải tần số sử dụng trong phạm vi RF tƣơng đối thấp
hơn mức 105 .
Búp sóng hẹp - Các bức xạ quang có búp sóng rất hẹp, một tia laser điển
hình có một giới hạn nhiễu xạ nằm trong khoảng 0,01-0,1 mrad. Điều này cũng có
nghĩa rằng công suất phát chỉ tập trung trong một vùng rất hẹp, do đó cung cấp một
liên kết FSO cách ly không gian phù hợp khỏi nhiễu tiềm năng của nó. Việc hạn chế
không gian chặt chẽ cũng cho phép các tia laser hoạt động gần nhƣ độc lập, cung
cấp hầu nhƣ không giới hạn khả năng tái sử dụng tần số trong nhiều môi trƣờng,
ngăn chặn và khiến kẻ tấn công gặp khó khăn trong việc can thiệp vào dữ liệu đang
đƣợc gửi đi. Tuy nhiên, tính chất hẹp của tia cũng yêu cầu một liên kết chặt chẽ
hơn.
Không yêu cầu cấp phép phổ tần - Do việc hạn chế của phổ RF, nhiễu từ
các sóng mang lân cận là một vấn đề lớn đối với truyền thông vô tuyến không dây.
Để giảm thiểu nhiễu, các cơ quan quản lý, chẳng hạn nhƣ Uỷ ban truyền thông liên
bang (FCC) ở Mỹ và Cơ quan quản lý truyền thông (Ofcom) tại Anh đã đƣa ra các

quy định nghiêm ngặt. Để đƣợc phân bổ một đoạn băng tần RF đòi hỏi một khoản
chi phí rất lớn và nhiều tháng thủ tục hành chính cồng kềnh, phức tạp. Hiện nay, các
tần số quang đều miễn phí và không gặp phải các vấn đề trên, do đó chi phí thiết lập
ban đầu thấp hơn và thời gian triển khai sẽ đƣợc giảm.
Giá rẻ - Chi phí để triển khai FSO thấp hơn RF với cùng tốc độ dữ liệu
tƣơng ứng. FSO có băng thông truyền dẫn tƣơng đƣơng với cáp quang nhƣng với
chi phí rẻ hơn, không mất chi phí cho rãnh cáp ngầm và xây lắp hạ tầng. Theo
fSONA - một công ty về FSO có trụ sở tại Canada thì chi phí cho mỗi Mbps hằng
tháng sử dụng FSO chỉ khoảng một nửa so với sử dụng RF [41].


11

Triển khai và tái triển khai nhanh chóng - Thời gian cần thiết để một
tuyến FSO sẵn sàng đi vào hoạt động tính từ khi bắt đầu lắp đặt là khoảng 4 giờ.
Yêu cầu then chốt là thiết lập đƣợc một tuyến có tầm nhìn thẳng, không bị che chắn
giữa máy phát và máy thu . Việc tái triển khai đến các vị trí khác khá dễ dàng.
Phụ thuộc vào thời tiết - Hiệu năng của hệ thống FSO phụ thuộc vào các
điều kiện môi trƣờng. Đây chính là thách thức lớn nhất hiện nay mà FSO gặp phải.
Tuy nhiên, các tuyến RF hoặc truyền thông vệ tinh cũng gặp phải những thách thức
tƣơng tự gây ra bởi mƣa, tuyết, sƣơng mù, bão, áp thấp nhiệt đới, sấm chớp, bão
từ..., gây ra nhiễu tạp âm. Nhiễu tạp âm này có thể tăng lên tới mức làm mất tín hiệu
đang đƣợc truyền dẫn.
Ngoài các đặc điểm chính đã nêu ở trên, FSO còn có một số các đặc điểm
phụ sau:
-

Lợi ích từ truyền thông sợi quang.

-

Không bị ảnh hƣởng của nhiễu điện từ.

-

Công suất bức xạ quang phải nằm trong giới hạn an toàn quy định cho

-

Trọng lƣợng thiết bị thu phát nhẹ và nhỏ gọn, tiêu thụ điện năng thấp.

mắt.

1.3. Các ứng dụng của hệ thống FSO
Các đặc điểm cơ bản của hệ thống FSO đƣợc thảo luận ở mục 1.2 đã tạo nên
sự thu hút của nó đối với các ứng dụng khác nhau trong các mạng truy nhập và
mạng metro. FSO có thể dễ dàng bổ sung cho các công nghệ khác (nhƣ truyền
thông RF, HFC hoặc các công nghệ khác) trong việc cung cấp băng thông lớn từ hệ
thống mạng cáp quang đƣờng trục sẵn có tới ngƣời dùng đầu cuối. Hệ thống FSO
mặt đất phù hợp cho các lĩnh vực sau đây:
Truy nhập dặm cuối - FSO có thể đƣợc sử dụng để giải quyết vấn đề nghẽn
nút cổ chai trong mạng truy nhập tồn tại giữa ngƣời dùng đầu cuối với hệ thống
mạng cáp quang đƣờng trục. Cự ly tuyến truyền từ 50m đến vài km với tốc độ dữ
liệu đƣợc truyền từ 1Mbps đến 10 Gbps [10], [15].


12

Dự phòng tuyến sợi quang - FSO đƣợc sử dụng để làm tuyến dự phòng
trong trƣờng hợp tuyến quang chính không khả dụng hoặc bị hỏng [15].

Kết nối back - haul trong mạng tế bào - Có thể đƣợc sử dụng cho các lƣu
lƣợng back - haul giữa các trạm BTS và MSCs trong các mạng thế hệ thứ 3/thứ 4
(3G / 4G), cũng nhƣ truyền dẫn các tín hiệu CDMA IS I 95 từ macro và micro - cell
tới BTSs [15].
Các tuyến khắc phục sự cố/tạm thời - Một tuyến tạm thời cần thiết cho hội
nghị hoặc kết nối ad - hoc trong trƣờng hợp mạng truyền thông hiện thời xảy ra sự
cố [3].
Mạng truyền thông đa đơn vị trực thuộc (Multi - campus) - FSO đƣợc
ứng dụng để kết nối mạng trong các mạng đa đơn vị trực thuộc, giữa các toà nhà
trong khuôn viên của một trƣờng đại học, tập đoàn, công ty ,... và cung cấp liên kết
dự phòng với tốc độ Fast - Ethernet hoặc Gigabit Ethernet.
Các vùng địa lý khó khăn, đặc biệt - Ví dụ qua sông, đƣờng hẹp, đƣờng
sắt,.. khiến gặp khó khăn hoặc chi phí tốn kém trong việc triển khai, lắp đặt hạ tầng
mạng cáp quang.
Đối với HDTV - Với yêu cầu băng thông lớn của các thiết bị ghi hình và tín
hiệu truyền hình độ nét cao, FSO đang ngày càng đƣợc sử dụng trong ngành công
nghiệp truyền hình để truyền dẫn các tín hiệu trực tiếp trong các sự kiện từ các thiết
bị ghi hình độ nét cao về các nhà đài [18] .

1.4. Mô h nh hệ thống FSO
Hệ thống thông tin liên lạc FSO có thể triển khai với nhiều biến thể khác
nhau. Tuy nhiên, xuyên suốt luận văn này, học viên chỉ đề cập hệ thống FSO thông
thƣờng cho giao tiếp điểm - điểm với hai bộ thu phát tƣơng tự nhau, mỗi máy đặt tại
một đầu của liên kết nhƣ trong hình 1.2, và gọi tắt là hệ thống FSO. Mô hình này
cho phép một giao tiếp song công, trong đó thông tin có thể đƣợc trao đổi đồng thời
giữa hai đầu liên kết trong cả hai hƣớng thu và phát.


13

Bộ thu phát 1

Luồng
dữ liệu
1

Bộ thu phát 2

Luồng
dữ liệu
1

Luồng
dữ liệu
2

Luồng
dữ liệu
2

H nh 1.2: Hệ thống FSO thông thƣờng

Sơ đồ khối của một tuyến FSO điển hình đƣợc thể hiện nhƣ trong hình 1.3.
Cũng nhƣ các công nghệ truyền thông khác, hệ thống FSO gồm ba phần chính: Bộ
phát, kênh truyền và bộ thu. Chi tiết về các phần trên sẽ đƣợc trình bày trong các
tiểu mục 1.4.1 và 1.4.2.

Truyền tín hiệu
đi xa

Hấp thụ

Nhiễu loạn

Thu tín hiệu

Tán xạ
Nguồn quang

Nhiễu bức xạ nền
Lọc tín hiệu
quang

(LED/LASER)

Bộ tách sóng
quang

Mạch điều
khiển

Bản tin

Bộ điều chế

Bộ xử lý số liệu

H nh 1.3: Sơ đồ khối hệ thống FSO

Bản tin

đƣợc
khôi phục


14

1.4.1. Bộ phát/thu

Tín hiệu thu

Bộ xoá
Bộ ghép
Lớp kính sương
thuỷ tinh giá
Thấu kinh
thu

Nguồn quang
(laser)

Ống ngắm

Tín hiệu phát
Khẩu độ mở

Bộ tách
sóng quang

Xử lý dữ liệu

Sợi cáp phát

Sợi cáp thu

Thấu kinh phát

H nh 1.4: Cấu tạo bộ phát/thu của hệ thống FSO

Hình 1.4 là một hình vẽ đơn giản minh hoạ cấu tạo bộ phát/thu của hệ thống
FSO đã đƣợc minh hoạ ở hình 1.2. Nhiệm vụ chính của phần tử này là điều chế dữ
liệu gốc đầu vào lên các sóng mang quang, sau đó truyền chúng qua không gian tới
phía thu và ngƣợc lại.
Tại phía phát - Tín hiệu điện đi qua bộ xử lý dữ liệu rồi đƣợc đƣa tới nguồn
quang. Phƣơng thức điều chế đƣợc sử dụng phổ biến tại phía phát là điều chế cƣờng
độ (IM), trong đó dữ liệu nguồn sẽ đƣợc điều chế lên các bức xạ quang. Việc này
đƣợc thực hiện thông qua việc thay đổi trực tiếp cƣờng độ của nguồn quang tại phía
phát hoặc thông qua bộ điều chế ngoài nhƣ bộ giao thoa kế Mach - Zehnder (MZI).
Cuối cùng, bức xạ quang đƣợc truyền ra không gian sau khi đi qua thấu kính phát.
Việc sử dụng một bộ điều chế ngoài nhằm đảm bảo tốc độ dữ liệu đạt đƣợc cao hơn
so với bộ điều chế trực tiếp. Các thuộc tính khác của trƣờng bức xạ quang nhƣ pha,