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

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

NGUYỄN NGỌC TÚ

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

CHUYÊN NGÀNH
MÃ SỐ

:

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

:

60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI-2016


Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS ĐẶNG THẾ NGỌC

Phản biện 1:

……………………………………………………………………………
Phản biện 2:
…………………………………………………………………………..

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học
viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: ....... giờ ....... ngày ....... tháng ....... .. năm ...............

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông


1

MỞ ĐẦU
Truyền thông quang không dây (OWC) là một công nghệ tiên tiến đã được phát
triển khoảng ba thập kỷ qua và đang được chú ý nhiều hơn khi nhu cầu về lưu lượng
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 trường truy cập băng rộng mới nổi.
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). Về cơ bản, FSO liên quan đến việc
truyền tải số liệu/thông tin giữa hai điểm sử dụng bức xạ quang làm tín hiệu sóng
mang. FSO sẽ đóng một vai trò quan trọng như là một công nghệ bổ sung cho hệ
thống RF trong tương lai, giúp giải quyết bài toán kinh tế tại các khu vực nông thôn
có mật độ dân cư thưa 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.
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 đường truyền của chúng. Kênh truyền dẫn trong hệ thống FSO
mặt đất là không khí. Liên kết FSO cố định giữa các toà nhà đã được thiết lập từ lâu
và ngày nay tạo thành một phân khúc sản phẩm thương mại riêng biệt trong mạng
cục bộ và các mạng đô thị. FSO có khả năng truyền dẫn tương đương truyền thông
quang có dây tốc độ cao, lên đến hàng Gbps cho dữ liệu, thoại và video đồng thời
trong môi trường truyền dẫn không khí với sản phẩm thương mại thế hệ thứ năm
của công ty LightPointe Communications, Inc.
Có rất nhiều loại khác nhau của sơ đồ điều chế phù hợp cho các hệ thống truyền
thông quang qua không gian như OOK, PPM, SIM. Trong đó, SIM được phân loại
thành điều pha (PSK–SIM), điều tần (FM-SIM) và điều biên (AM-SIM). Trên thế
giới, kỹ thuật điều chế SIM trong FSO đang thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên
cứu.
Tại Việt Nam, trong những năm gần đây, nghiên cứu về FSO đã được thực hiện
bởi một số nhóm nghiên cứu thuộc Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông và
Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tính toán, thiết kế tối ưu truyền thông tin quang không
dây ứng dụng trong điều kiện khí hậu Việt Nam cũng đã được thực hiện bởi các tác
giả thuộc Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng.


2

Mục tiêu của luận văn nhằm phân tích và đánh giá hiệu năng của hệ thống
FSO sử dụng kỹ thuật SIM trong môi trường nhiễu loạn không khí. Trong đó, đối
tượng nghiên cứu là hệ thống FSO, được xét trong phạm vi gồm hệ thống FSO sử
dụng kỹ thuật SIM và hiệu năng hệ thống.
Các phương pháp nghiên cứu được 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.
Nội dung của luận văn được trình bày trong ba chương chính như sau:

Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống truyền thông quang qua không gian.
Chƣơng 2: Mô hình kênh hệ thống truyền thông quang qua không gian.
Chƣơng 3: Đánh giá hiệu năng hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật điều chế
cường độ sóng mang phụ.


3

CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN
THÔNG QUANG QUA KHÔNG GIAN
1.1. Sơ đồ khối hệ thống FSO
Hệ thống thông tin liên lạc FSO ngày càng có thể triển khai với nhiều biến
thể khác nhau. Tuy nhiên, xuyên suốt luận văn này, tác giả chỉ đề cập hệ thống FSO
thông thường cho giao tiếp điểm - điểm với hai bộ thu phát tương tự nhau, mỗi máy
đặt tại một đầu của liên kết như trong hình 1.2, và gọi tắt là hệ thống FSO. Cấu hình
này cho phép một giao tiếp song công, trong đó thông tin có thể được trao đổi đồng
thời giữa hai đầu liên kết trong cả hai hướng thu và phát.
Luồng
dữ liệu
1

Bộ thu phát 1

Bộ thu phát 2

Luồng
dữ liệu
1

Luồng

dữ liệu
2

Luồng
dữ liệu
2

H nh 1.1:.Sơ đồ khối hệ thống FSO

1.2. Đặc điểm của FSO
− Băng thông điều chế rộng .
− Búp sóng hẹp .
− Không yêu cầu cấp phép phổ tần.
− Chi phí thấp, giá thành rẻ, triển khai và tái triển khai nhanh chóng.
− Phụ thuộc vào thời tiết.
− Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ.
− Công suất bức xạ quang phải nằm trong giới hạn an toàn quy định.
− Trọng lượng thiết bị thu phát nhẹ và nhỏ gọn, tiêu thụ điện năng thấp.

1.3. Các ứng dụng của hệ thống FSO
− Truy nhập dặm cuối.
− Dự phòng tuyến sợi quang.
− Kết nối back - haul trong mạng tế bào.


4

− Các tuyến khắc phục sự cố/tạm thời.
− Mạng truyền thông đa đơn vị trực thuộc (Multi - campus).
− Các vùng địa lý khó khăn, đặc biệt.

− HDTV.

1.4. Mô h nh hệ thống FSO
Truyền tín hiệu
đi xa

Hấp thụ

Thu tín hiệu

Nhiễu loạn
Tán xạ
Nhiễu bức xạ nền

Nguồn quang

Lọc tín hiệu
quang

(LED/LASER)

Bộ tách sóng
quang

Mạch điều
khiển

Bản tin

Bộ điều chế

Bộ xử lý số liệu

Bản tin
được khôi
phục

H nh 1.2: Sơ đồ khối hệ thống FSO

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 1.3: Cấu tạo bộ phát/thu của hệ thống FSO


5

Tại phía phát - Tín hiệu điện đi qua bộ xử lý dữ liệu rồi được đưa tới nguồn
quang. Phương thức điều chế được sử dụng phổ biến tại phía phát là điều chế cường
độ (IM), trong đó dữ liệu nguồn sẽ được điều chế lên các bức xạ quang. Việc này
được thực hiện thông qua việc thay đổi trực tiếp cường độ của nguồn quang tại phía
phát hoặc thông qua bộ điều chế ngoài như bộ giao thoa kế Mach - Zehnder (MZI).
Cuối cùng, bức xạ quang được truyền ra không gian sau khi đi qua thấu kính phát.
Tại phía thu - Đầu tiên, thấu kính thu thu thập và tập trung bức xạ quang đầu vào
trên bộ tách sóng quang. Khẩu độ mở của ống kính càng lớn thì sẽ tập hợp được
nhiều bức xạ quang vào bộ tách sóng quang. Bộ lọc thông dải làm giảm lượng bức
xạ nền. Các bộ tách sóng quang PIN hoặc APD chuyển đổi trường quang đến thành
tín hiệu điện. Cuối cùng, mạch xử lý dữ liệu có chức năng khuếch đại , lọc và xử lý
tín hiệu để đảm bảo tính chính xác cao của dữ liệu được khôi phục.

1.4.2. Kênh truyền
Kênh truyền dẫn quang khác so với kênh tạp âm Gauss thông thường , tín
hiệu đầu vào của kênh, x(t) thể hiện công suất thay vì biên độ. Điều này dẫn đến hai

điều kiện ràng buộc của tín hiệu truyền:
-

x(t) phải không âm

Giá trị trung bình của x(t) không được vượt quá một giá trị quy định

Pmax :
Pmax  limT 

1
2T

T

 x(t) dt

(0.1)

T

Sự suy hao do tán xạ Mie (chủ yếu là sương mù) gây ra trong hệ thống FSO
có thể được nghiên cứu bằng cách sử dụng cả hai phương pháp tiếp cận lý thuyết và
thực nghiệm). Mô hình thực nghiệm phổ biến cho tán xạ Mie được cho bởi:
    

3,91   


V (km)  550 



(0.2)


6

Trong đó  được cho bởi:
1,6

δ= 1,3
0,585V1/3


khi V > 50 km
khi 6 km < V < 50 km
khi 0 km < V < 6 km

1,6
1,3

δ= 0,16V + 0,34
V - 0,5

0

Mô hình Kruse

khi V > 50 km

khi 6 km < V < 50 km
khi 1 km < V < 6 km
khi0.5 km < V < 1km
khi V < 0.5 km

Mô hình Kim

Tín hiệu quang truyền qua một kênh không gian nhạy cảm với các điều kiện
không khí như sương mù, mưa ,v..v. Khi bức xạ quang truyền qua các kênh không
khí, sự tương tác giữa các photon và các thành phần phân tử của không khí gây ra
hiện tượng hấp thụ (năng lượng của một số photon bị chuyển hoá thành nhiệt năng)
và hiện tượng tán xạ (các photon không bị mất năng lượng nhưng hướng truyền ban
đầu của chúng bị thay đổi). Điều này dẫn đến suy hao công suất phát và được mô tả
bởi định luật Beer-Lambert (BLL):
 ( , L) 

PR
 exp   T    L 
PT

(0.3)

Trong đó  T    và  ( , L) tương ứng là hệ số suy hao tổng  m1  và hệ số
truyền tại bước sóng  . PT là công suất phát và PR là công suất thu sau khoảng
cách truyền L.
Định luật BLL mô tả sự truyền dẫn của một trường quang thông qua không
khí là hàm của khoảng cách truyền. Suy hao do hấp thụ không khí có thể được giảm
thiểu bằng cách áp dụng các bước sóng nằm trong những "cửa sổ truyền dẫn" có suy
hao thấp trong dải ánh sáng có thể nhìn thấy hoặc hồng ngoại.
Ngoài các yếu tố trên, kênh truyền FSO còn chịu ảnh hưởng mạnh bởi nhiễu

loạn không khí. Khi bức xạ mặt trời chiếu xuống trái đất, một số bức xạ bị hấp thụ
bởi bề mặt trái đất, do đó làm tăng nhiệt độ của lớp không khí xung quanh bề mặt
trái đất, gây ra sự chênh lệch nhiệt độ đối với lớp không khí lạnh kề trên. Khi đó,


7

lớp không khí nóng này loãng ra và bay lên, kết hợp một cách hỗn loạn với lớp
không khí lạnh kề trên khiến nhiệt độ không khí tăng giảm ngẫu nhiên tại từng vị
trí. Sự không đồng nhất này có thể được xem như các túi khí rời rạc, hoặc luồng
xoáy với nhiệt độ khác nhau, hoạt động như thấu kính khúc xạ với kích thước và chỉ
số khúc xạ khác nhau. Các luồng xoáy nhiễu loạn nhỏ nhất và lớn nhất được gọi là
nhiễu loạn vòng trong l0 với giá trị tương ứng khoảng vài mm, và nhiễu loạn vòng
ngoài L0 với giá trị tương ứng khoảng một vài mét.

H nh 1.4: Kênh không khí với các luồng xoáy nhiễu loạn

Ảnh hưởng của nhiễu loạn không khí bao gồm :
− Sự lệch tia quang.
− Sự nhảy ảnh.
− Sự nhấp nháy của búp quang.
− Sự suy giảm tính nhất quán trong không gian.
− Sự biến động phân cực.

1.5. Các thách thức đối với hệ thống FSO.
− Sự trôi búp.
− Giữ thẳng hướng phát - thu khi toà nhà dao động.
− An toàn cho mắt.

8

CHƢƠNG 2 - MÔ HÌNH KÊNH HỆ THỐNG TRUYỀN
THÔNG QUANG QUA KHÔNG GIAN
2.1. Tổng quan về kênh FSO
Không khí là một môi trường rất phức tạp, gây ảnh hưởng tới đặc tính của tia
laser, do đó dẫn đến suy hao quang và sự nhiễu loạn - gây ra sự thăng giáng cường
độ và pha của tín hiệu thu. Các đặc tính của các kênh không khí có tính chất ngẫu
nhiên, do đó ảnh hưởng của nó có thể được đặc trưng bởi các giá trị thống kê trung
bình.
Trong một nỗ lực để mô hình hoá các kênh nhiễu loạn không khí, giả thuyết
Taylor được chấp nhận rộng rãi, theo đó thì sự biến đổi về thời gian trong các thuộc
tính thống kê của sự nhiễu loạn không khí là nguyên nhân gây ra sự chuyển động
của khối không khí. Các kênh nhiễu loạn không khí có thể được mô tả như là một
"kênh pha đinh chậm" do nó tĩnh trên một khoảng thời gian ký tự dữ liệu.
Mối quan hệ giữa nhiệt độ không khí và chỉ số khúc xạ n được đưa ra bởi :
n  1  77.6 1  7.52 103  2 


P
106
Te

dn
P
 7.8 105 2
dTe
Te

(2.1)

(2.2)

Trong đó P là áp suất không khí (milibars), Te là nhiệt độ Kelvin và  là
bước sóng (microns).
Cường độ của sự thay đổi khúc xạ trong môi trường nhiễu loạn được đưa ra
bởi phương sai cường độ log – intensity l (còn được gọi là tham số Rytov  l2 ) và
độ dài nhất quán của trường quang di chuyển qua kênh nhiễu loạn được cho bởi  0 .
Trong dải l0   L  L0 , các tham số này được định nghĩa như sau:
7



5

5
 2  6
 x 6
  2.25    Cn2  x     L  x  6 dx
   0
L
2
l

(2.3)


9

Trong đó, Cn2 là chỉ số tham số cấu trúc khúc xạ (đặc trưng cho cường độ của

chỉ số khúc xạ thay đổi theo môi trường) được đề xuất bởi Kolmogorov. Mô hình
chủ yếu được sử dụng cho Cn2 là Hufnagel - Valley (H -V) được mô tả như sau:
2

10
h 
h 
v 


16
C  h   0.00594  m  105 h  exp  
  2.7  10 exp  

 1000 
 1500 
 27 
ˆ exp   h 



 100 
2
n

(2.4)

2

ˆ là giá trị danh định của Cn2  0  tại mức nền ( m  3 ); h là độ cao

Trong đó, 
m
(m). Giá trị thường được dùng cho vm là 21   . Nhìn chung, tham số cấu trúc
s




được giả thiết là hằng số đối với các tuyến truyền ngang và thay đổi từ 1017 m
nhiễu loạn yếu và 1012 m




2
3



2
3

cho

cho nhiễu loạn mạnh , với giá trung bình đặc trưng là

2

1015 m 3 .

2.2. Mô h nh nhiễu loạn Log-normal
Để mô tả pdf của các biến động bức xạ trong nhiễu loạn không khí, các búp
quang ban đầu được đại diện bởi thành phần điện trường của nó E . Để giải phương
trình cuối cùng này, Tatarski trong cách tiếp cận của ông đã giới thiệu một biến số
phức Gaussian   r  được định nghĩa là logarit tự nhiên của phương truyền E  r  , và
được gọi là phép biến đổi Rytov. Đó là:
  r   ln  E  r 

(2.5)

Do 1  r  là Gaussian, do đó, x là biến thiên biên độ log - amplitude phân
bố Gaussian, và tương tự, S là biến thiên pha phân bố Gaussian. Bằng cách chỉ tập
trung vào biên độ trường , pdf của x là:
  x  E  x 2 
p  x 
exp 

2 x2
2 x2


1

(2.6)


10

trong đó E  x  biểu thị kỳ vọng của x và  x2 là phương sai biên độ log amplitude, thường được gọi là các tham số Rytov.  x2 đặc trưng cho mức độ biến
thiên biên độ trường trong nhiễu loạn không khí có liên quan đến các chỉ số của

tham số cấu trúc khúc xạ, khoảng cách theo phương truyền ngang L , truyền đi bởi
trường/bức xạ quang bằng các phương trình sau:
  0.56k
2
x

7 L
6

5

2
 Cn  x  L  x  6 dx cho sóng phẳng

(2.7)

0

và
5

5
 x 6
  0.563k  C  x     L  x  6 dx cho sóng cầu
L
0
2
x

7 L

6

2
n

(2.8)

Đối với phương truyền ngang truyền qua nhiễu loạn trung bình, các chỉ số
tham số cấu trúc khúc xạ Cn2 là hằng số, và các phương sai bức xạ log - irradiance
cho sóng phẳng trở thành:
7
6

11
6

(2.9)

  1.23C k L
2
l

2
n

Các bức xạ trường (cường độ) trong nhiễu loạn trung bình là I  A  r  trong
2

khi cường độ trong không gian (không có nhiễu loạn) là I 0  A0  r  , phương sai
2

cường độ log - intensity được cho bởi:
Ar 
l  log e
 2x
A0  r 

(2.10)

I  I 0 exp  l 

(2.11)

2

Do đó,

Để thu được pdf bức xạ, sử dụng phép biến đổi của biến p  I   p  x 
khi đó các hàm phân bố chuẩn log - normal được cho bởi:

dx
,
dl


11

  I 
2
  ln   E l  

I0 
1 1


pI  
exp  

2
2 I
2 l
2 l







I 0

(2.12)

Phương trình cho E  I  thu được bằng các bước sau:
E exp  az   exp  aE  z   0.5a 2 z2 

(2.13)

1  exp  E l   0.5 l2 

(2.14)

Do đó,
 l2
E l   
2

(2.15)

Sau khi có được pdf của nhiễu loạn bức xạ, việc quan trọng tiếp theo là xây
dựng được phương trình cho phương sai của các nhiễu loạn bức xạ  l2 :



 I2  E  I 2   E  I   I 02 E exp  2l   E exp  l 
2

2



(2.16)

Phương sai chuẩn hoá của cường độ, thường được gọi là chỉ số nhấp nháy
( S .I . ) là:
S .I .   N2 

 I2
I

2

0

 exp  l2   1

(2.17)

H nh 2.1: Pdf log - normal với E  l  =1 với dải phƣơng sai log - irradiance σl2 .


12

2.3. Giới hạn của mô h nh nhiễu loạn log - normal
Cho đến nay, xấp xỉ Rytov đã được sử dụng để mô tả nhiễu loạn không khí.
Tuy nhiên xấp xỉ Rytov không thống kê đến hiệu ứng đa tán xạ, dẫn đến khi cường
độ của nhiễu loạn không khí tăng, xuất hiện độ lệch lớn của các thống kê log normal so với các dữ liệu thực nghiệm.

2.4. Mô h nh nhiễu loạn Gamma - gamma
Mô hình này được đề xuất bởi Andrews et al dựa trên quá trình điều chế,
trong đó các nhiễu loạn của bức xạ ánh sáng đi qua nhiễu loạn không khí được giả
định bao gồm ảnh hưởng của luồng xoáy quy mô nhỏ (tán xạ) và quy mô lớn (khúc
 I 
 được
 Ix 

xạ). Để có được sự phân bố bức xạ vô điều kiện, xác suất có điều kiện p 

tính trung bình trên phân bố thống kê của I x , để thu được hàm phân bố bức xạ
gamma - gamma sau đây:


 I 
p  I    p   p  I x  dI x
 Ix 
0
   


2   2

I
      

  
2

1



K   2  I

(2.18)



I 0

trong đó  và  , tương ứng , đại diện cho ảnh hưởng của luồng xoáy quy
mô lớn và quy mô nhỏ của quá trình tán xạ. K n   là biến đổi của hàm Bessel loại 2
bậc n, và    đại diện cho hàm gamma. Nếu các bức xạ quang tại phía thu được

giả định là một sóng phẳng, sau đó hai tham số  và  đặc trưng cho pdf nhiễu
loạn bức xạ liên quan đến các điều kiện không khí :






0.49 l2
  exp 
7


12 6


 1  1.11 l 5 





 
 
 
  1
 
 
 
 

1

(2.19)


13







0.51 l2

  exp 
5


12 6


 1  0.69 l 5 





 

 
 
  1
 
 
 
 

1

(2.20)

Trong khi đó, S .I . được xác định bởi:




2
2


0.49

0.51

l
l
 N2  exp 

 1

7
5
12 6
12 6 




5
 1  1.11 l 5 
1  0.69 l  
 


 

(2.21)

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

2

H nh 2.3: S.I. dựa vào phƣơng sai cƣờng độ log - intensity Cn2 =10-15m 3 và λ=850 nm


14

H nh 2.4: Các giá trị α và β dƣới các chế độ nhiễu loạn khác nhau : yếu, trung bình,
mạnh và bão hoà

2.5. Mô h nh nhiễu loạn hàm mũ âm
Trong giới hạn của nhiễu loạn bức xạ mạnh ( chế độ bão hoà trở lên), với cự
ly tuyến truyền dẫn kéo dài vài km, số lượng các tán xạ độc lập trở nên nhiều hơn.
Pdf hàm mũ âm được thể hiện trong hình 2.4.

H nh 2.4: Pdf hàm mũ âm với các giá trị khác nhau của I 0


15

CHƢƠNG 3 - ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO SỬ
DỤNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ CƢỜNG ĐỘ SÓNG MANG
PHỤ
3.1. Đặt vấn đề
Có rất nhiều loại sơ đồ điều chế khác nhau thích hợp cho các hệ thống truyền
thông quang qua không gian. Tuy nhiên, ảnh hưởng của nhiễu loạn không khí gây
ra pha đinh trên các kỹ thuật sau: OOK , PPM và PSK – SIM.

3.1.1. Kỹ thuật điều chế SIM và mô hình hệ thống SIM - FSO .
Trong liên kết SIM quang, một tín hiệu sóng mang phụ RF m(t ) , tiền chế với
dữ liệu nguồn d(t ) , được sử dụng để điều chế cường độ PT của nguồn một quang diode laser sóng liên tục.
Phương trình tổng quát của m(t ) trong hệ thống N-SIM-FSO:
N

m  t    mi  t 

(3.1)

i 1

Trong khoảng thời gian truyền một ký tự, mỗi tín hiệu sóng mang phụ RF
thường được đại diện bởi:
mi  t   g  t  aic cos ci t  i   g  t  ais cos ci t  i 

(3.2)

trong đó, g  t  là hàm tạo dạng xung, và các tần số góc được đại diện
bởi ci , i iN1 . Mỗi sóng mang phụ có thể được điều chế bởi bất kỳ kỹ thuật điều chế
số / tương tự RF chuẩn, tín hiệu thu được có thể được điều chế như sau:
i  t   I 1   m  t   n  t 

trong đó  là chỉ số điều chế quang  

(3.3)

m (t )
iB  iTh

Bộ lọc thông dải điện (BBF) với băng thông tối thiểu là 2 Rb thực hiện các
chức năng như sau: lựa chọn sóng mang phụ riêng để điều chế; giảm công suất


16

nhiễu và khử bất kỳ thành phần biến đổi chậm hiện diện trong tín hiệu thu. Đối với
một sóng mang phụ ci , tín hiệu thu được là:
i  t   I comp  Qcomp

(3.4)

I comp  I  g  t  aic cos ci t  i   n  t 

(3.5)

Qcomp  I  g  t  ais sin ci t  i   nQ  t 

(3.6)

trong đó:

n  t  và nQ  t  là nhiễu Gaussian trắng cộng (AWGN) với có kỳ vọng 0 và

phương sai  2 .

3.1.2. Ảnh hưởng của nhiễu loạn và nhiễu trên chòm sao tín hiệu sóng
mang phụ
Với nhiễu loạn rất thấp có cường độ pha đinh  l2  0.001 , các tập hợp chòm
sao được giới hạn rõ ràng trong góc phần tư tương ứng của chúng và xác suất lỗi
giải điều chế là rất thấp, nhưng khi tăng cấp độ nhiễu loạn lên  l2  0.5 , sự giới hạn
này bị mất đi, các điểm của chòm sao bị dịch chuyển nhiều hơn và di chuyển về
phía trung tâm.

3.2. BER của SIM - FSO trong kênh không khí log - normal
3.2.1. Sóng mang phụ sử dụng điều chế BPSK.
Kết quả của tiểu mục 3.2.1 sẽ dành cho một sóng mang phụ tiền điều chế
BPSK đơn m  t   g  t  ac cos  c t    , trên khoảng thời gian truyền một ký tự, trong
đó ac   1,1 đại diện các ký tự dữ liệu '0' và '1'. Đầu ra bộ giải điều chế nhất quán
iD  t  được cho bởi:

iD  t   I comp  cos  c t 


 Iac g  t 
1  cos  2 c t    n  t  cos  c t 
2

(3.7)


17

Cho iD  t  đi qua bộ lọc thông thấp với băng thông 1/ T . Phương trình 3.7
rút gọn thành:
iD  t  

 Iac g  t 
 nD  t 
2

(3.8)

trong đó nhiễu cộng nD  t  ~  0,  2 / 2  . Giả sử dữ liệu truyền có xác suất
ngang nhau, p  0   p 1  0.5 , xác suất lỗi có điều kiện trên bức xạ thu được trở
thành:
Pec  p 1 p  e /1  p  0  p  e / 0 
 0.5  p  e /1  p  e / 0  

(3.9)

Xác suất biên được cho bởi:
p  e /1 

0





p  e / 0 

  i  t    2 
D
exp 
 diD  t 
2
2





(3.10)

  i  t    2 
D
exp 
 diD  t 
2
2





(3.11)

1



1


0

Trong đó K  I  / 2 và g  t   1 với 0  t  T và bằng không với các trường
hợp còn lại.
BER có điều kiện trên bức xạ thu được có thể được viết như sau:
  i  t   K 2 
D
Pec  
exp 
 diD  t 
2
2


0



K 2
 0.5erfc  K /    Q 

  


1

(3.12)

Tại đầu vào của bộ giải điều chế sóng mang phụ nhất quán , SNR điện trên
mỗi bit được cho bởi:
 I 

 I  



2

2

Pm

(3.13)


18

A2

trong đó Pm 
2T



T

0

  I   2 K /  . Phương trình 3.13 khi

g 2  t  dt , từ đó

này có thể biểu diễn theo SNR tại đầu vào bộ giải điều chế như sau:
Pec  Q



 I 



(3.14)

Xác suất vô điều kiện Pe thu được bằng trung bình (3.14) trong thống kê
nhiễu loạn bức xạ log - normal như sau:


Pe   Pec p  I  dI

(3.15)

0

 ln I / I   2 / 2  2 
0
l

  dI
Pe   Q    I  
exp  

2
2
2 l
I 2 l
0




1

(3.16)

Một phương pháp giải có nghiệm kín của phương trình (3.16) không tồn tại
và phải sử dụng phép lấy tích phân bằng số để dẫn đến cắt bỏ cận trên của nó.


y2

exp  
 d y  
2
 2sin   

(3.17)

f  x  exp   x 2  dx   w i f  xi dy  

(3.18)

Q   
0





1



 /2


0

n

i 1

trong đó  wi in1 và  xi in1 là những tham số trọng số và nghiệm của một đa
thức Hermite bậc n, Hen  x  . Bằng cách đặt một sự thay đổi của biến
y

ln  I / I 0    l2 / 2
2 l

trong phương trình (3.16) và kết hợp nó với phương trình

(3.17) và (3.18), BER vô điều kiện cho bởi phương trình (3.16) có thể được rút gọn
thành:
Pe 

1



 /2


0



 K exp 2 K  2 x   2 / 2 
0
1
l i
l


wi exp  

2

2sin  
 i 1



1

n

  d



(3.19)


19

Pe 

wQ


1

n

i 1

i



K0 exp K1  2 l xi   l2 / 2



(3.20)

Các giá trị của K1 và K 0 được cho trong Bảng 3.1 với các điều kiện giới hạn
nhiễu khác nhau
Bảng 3.1: Giá trị của K 1 và K 0 với các điều kiện giới hạn nhiễu khác nhau

Điều kiện giới hạn nhiễu
Giới hạn lượng tử
K0
K1

 2I 0 Pm

Nhiễu nhiệt

Nhiễu nền

I 0 

 I 0 

2qRb

2

Pm RL

4kTe Rb

Pm
2qRb ( I sky  I sun )
2

Nhiễu nền và
nhiễu nhiệt
2
I 0  Pm
2
2
( Bg
  Th
)

0.5
1
1
1
Để giữ cho nguồn quang laser trong phạm vi động tuyến tính của nó và tránh

biến dạng cắt xén tín hiệu, luôn luôn phải tuân theo điều kiện  m  t   1 .
Bảng 3.2: Thông số mô phỏng
Tham số

Giá trị

Symbol Rate Rb

155 Mbps

Bức xạ phổ bầu trời N   

103 W / cm2  mSr

Độ trưng năng lượng phổ mặt trời W   

0.055 W / cm2  m

Băng thông bộ lọc thông dải quang  @   850 nm

1 nm

Tầm nhìn bộ tách sóng quang photodiode (FOV)

0.6 rad

Bước sóng bức xạ 

850 nm

Số lượng sóng mang phụ N

1

Cự ly tuyến truyền dẫn L

1 km

Chỉ số tham số cấu trúc khúc xạ Cn2

0.75 1014 m2/3


20

Trở kháng tải RL

50 

Độ nhạy bộ tách sóng quang photodiode 

1

Nhiệt độ làm việc Te

300K

Chỉ số điều chế quang 

1

H nh 3.1: BER dựa trên bức xạ nhận đƣợc trung bình trong nhiễu loạn yếu dƣới
những điều kiện giới hạn nhiễu khác nhau với R b =155Mbps và σ l2 =0.3

3.2.2. Sóng mang phụ sử dụng điều chế M - ary PSK
Trong trường hợp này, các ký tự dữ liệu trong đó bao gồm log 2 M chữ số nhị
phân được ánh xạ lên một trong M pha có sẵn trên mỗi sóng mang phụ m  t  . Biểu
thức BER có điều kiện thu được như sau:
Pec 

Pec 

2
Q
log 2 M





2 1  1/ M
log 2 M

 log 2 M    I  sin  / M   M  PSK , M  4

(3.21)

 Q 

(3.22)

3log 2 M   I  
 M  QAM , log 2 M 2


2
M

1






21

Biểu thức BER (3.22) cho M-PSK chỉ có thể được đánh giá bằng phương
pháp số:
Pe 

2
Q
log 2 M 



 log 2 M    I  sin  / M   p  I  dI

(3.23)

3.2.3. Sóng mang phụ sử dụng điều chế DPSK
Sơ đồ điều chế này thích hợp nhất khi ước lượng pha tuyệt đối cần thiết của
các bộ giải điều chế nhất quán sóng mang phụ là không khả thi hoặc quá phức tạp
để thực hiện. BER có điều kiện của các sóng mang phụ tiền điều chế DPSK được
cho bởi:
Pec  0.5exp  0.5  I  

(3.24)

Trong sự hiện diện của nhấp nháy, BER vô điều kiện Pe , được tính như sau:


Pe   0.5exp    I   p  I  dI

(3.25)

0

Pe 

 w exp   K


1
2

n

i 1

2

i

exp  xi 2 2 l   l2 



(3.26)

3.2.4. Phân tích hiệu năng của hệ thống sử dụng đa SIM
Giá trị đỉnh của các tín hiệu hỗn hợp m  t  , xảy ra khi tất cả các biên độ sóng
mang phụ riêng lẻ được tính toán súc tích như sau:
N

Aj

j 1

i 'B

 

N

   j  N  sc

(3.27)

j 1

Các tín hiệu sóng mang phụ đã được giả định là có cùng chỉ số điều chế riêng
lẻ  sc   / N .
Tuy nhiên, đa SIM-FSO chỉ được đề nghị khi nào nhu cầu tăng thông
lượng/dung lượng có nhiều ảnh hưởng hơn so với công suất thu cần phụ thêm.


22

3.2.5. Xác suất mất liên lạc trong các kênh không khí log - normal
Xác suất mất liên lạc là một thước đo khác để định lượng hiệu năng hệ thống
thông tin liên lạc trong các kênh pha đinh. Công suất dự trữ m cần để đạt được
Pout được tính như sau:
m  exp



2ln 2 Pout l2   l2 / 2



(3.28)

3.3. Hiệu năng của SIM - FSO trong cách kênh không khí gamma gamma và hàm mũ âm
BER vô điều kiện trong pdf chế độ bão hòa được suy ra như sau:
1
Pe 
 I0

Pe 

1



 /2



   I 2
I 
0 exp   4 2 sin 2   I 0  dId



 /2 


0

 K0   exp  K0    erfc



(3.29)



K0   d

(3.30)

0

trong đó K 0     sin   /   và erfc . là hàm lỗi bù.
2

Pe   K 0 exp  K 0  Q



2K0



(3.31)

trong đó K0   /  2 .Từ các biểu thức BER, hiệu năng lỗi của hệ thống có
thể được dự đoán đối với bất kỳ giá trị nhất định của SNR và cường độ nhiễu loạn
(hoặc cự ly tuyến truyền dẫn).

3.3.1. Xác suất mất liên lạc trong kênh không khí hàm mũ âm
Xác suất mất liên lạc trong chế độ bão hòa được định nghĩa như sau:
Pout  P  m  I   

I 0 /m

*

 
0

 I 
1
exp    dI
I0
 I0 

(3.32)

Từ phương trình (3.37), công suất dự trữ m cần thiết để đạt được một Pout
của chế độ bão hoà (xác định bởi phương trình (3.38).
m    ln 1  Pout  

1

(3.33)


23

KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP
1. Tổng kết:
Để có thể thực hiện mục tiêu của nghiên cứu này, các nguyên lý cơ bản của
FSO và mô hình khối của nó đã được xem xét và thảo luận trong Chương Một.
Trong Chương Hai, sự nhiễu loạn không khí gây ra thăng giáng tín hiệu đã
được xem xét với ba mô hình kênh : log-normal, Gamma-gamma và hàm số mũ âm,
đã được mô tả và trình bày các hàm mật độ xác suất của chúng. Những mô hình này

sau đó sẽ được sử dụng để mô hình hóa các hoạt động mang tính thống kê của các
tín hiệu nhận được từ các hệ thống FSO có phạm vi từ 100 m đến 100 km.
Luận văn đã tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu năng hệ thống dưới sự ảnh
hưởng của nhiễu loạn không khí với việc sử dụng PSK-SIM. Để phá vỡ các giới hạn
hiệu năng của OOK-FSO trong kênh nhiễu loạn không khí, SIM-FSO đã được đề
xuất và thực hiện phân tích hiệu suất lỗi của nó đã được trình bày trong Chương Ba.
2. Các kết quả đạt đƣợc của luận văn :
Tác giả đề xuất phương án khắc phục hạn chế về giới hạn hiệu năng của hệ
thống FSO sử dụng điều chế OOK trong kênh nhiễu loạn không khí bằng kỹ thuật
SIM – FSO và đã chứng minh là có thể khắc phục được hạn chế này , nhưng đồng
thời bản thân kỹ thuật này cũng có hạn chế của riêng mình, trong đó bao gồm hiệu
suất sử dụng năng lượng thấp và khả năng tín hiệu bị méo sau khi qua điều chế.
3. Hạn chế của đề tài
Hạn chế của luận văn này nằm ở chỗ tác giả mới chỉ sử dụng kỹ thuật đánh
giá PET để đo hiệu năng hệ thống dựa trên tỉ số lỗi bit BER. Vì vậy, sai số trong mô
phỏng là không thể tránh khỏi.
Cụ thể, độ chính xác lúc này bị giới hạn bởi hai loại sai số là sai số mô hình
hóa hệ thống và sai số trong quá trình xử lý (do giới hạn tính toán và bản chất thực
của mô phỏng).
4. Đề xuất, kiến nghị hƣớng nghiên cứu tiếp theo của đề tài, gồm :
Radio over FSO (RoFSO): Hướng nghiên cứu này sẽ cung cấp những phát
hiện thú vị về sự tích hợp của FSO với sóng vô tuyến trên tín hiệu cáp quang và