Đánh giá hiệu năng hệ thống truyền thông không dây lai ghép RF FSO

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

BÙI QUỐC VƢƠNG

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG TRUYỀN
THÔNG KHÔNG DÂY LAI GHÉP RF/ FSO

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI – 2016


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

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS. Đặng Thế Ngọc

Phản biện 1: PGS. TS. Bùi Trung Hiếu

Phản biện 2: TS. Phạm Mạnh Lâm

Luận văn sẽ đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại
Học viện Công nghệ Bƣu chính Viễn thông
Vào lúc: 9 giờ 45 ngày 11 tháng 03 năm 2017

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

1

MỞ ĐẦU
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), dịch vụ VideoCall, truy cập internet tốc độ
cao, hội nghị truyền hình trực tuyến vv…. Để đáp ứng các nhu cầu này, đòi hỏi băng thông
truyền dẫn rộng hơn, tốc độ nhanh hơn.
Trong mạng truy nhập, một số công nghệ đã và 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, lai ghép
cáp sợi quang – cáp đồng trục (HFC), cáp quang tới tận nhà, các công nghệ không dây băng
rộng sóng cao tần RF. Trong tƣơng lai gần, một thực tế cực kỳ rõ ràng là các công nghệ cao
tần RF với những hạn chế nhƣ giới hạn băng thông, khan hiếm phổ tần số, các vấn đề an
ninh, giấy phép và chi phí cao trong việc lắp đặt và khả năng tiếp cận, không thể đáp ứng
nhu cầu sắp tới.
Gần đây, công nghệ truyền dẫn quang không dây (FSO) đã ra đời và đƣợc xem nhƣ
giải pháp hiệu quả, thay thế và bổ sung cho công nghệ truyền thông không dây sóng cao tần
(RF). Với những ƣu điểm vƣợt trội nhƣ tốc độ cao, chi phí thấp, không yêu cầu cấp phép tần
số, triển khai nhanh và linh hoạt. Hệ thống này hiện nay có thể truyền tải một lƣợng lớn dữ
liệu lên đến 10 Gb/s. Tuy nhiên, công nghệ FSO cũng gặp phải một số hạn chế nhất định
nhƣ bị ảnh hƣởng mạnh bởi tạp âm, nhiễu loạn không khí và điều kiện thời tiết xấu nhƣ gió,
sƣơng mù, khói, tuyết ….
Để tận dụng các ƣu điểm và khắc phục các hạn chế của cả hai công nghệ RF và FSO,
hệ thống truyền thông lai ghép RF/FSO đã đƣợc đề xuất. Đây đƣợc xem nhƣ một giải pháp
linh hoạt và hiệu quả cho các kết nối trong mạng truy nhập và backhaul trong tƣơng lai.


2

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG
QUANG KHÔNG DÂY FSO
1.1 Giới thiệu hệ thống FSO
Khác các hệ thống không dây thông thƣờng, FSO là một công nghệ truyền quang qua
không gian tự do. Ƣu điểm của hệ thống này khi sử dụng là không yêu cầu phải đăng ký phổ
hay phối hợp tần số với những nhà khai thác khác, đồng thời nhiễu giữa các thiết bị đƣợc
hạn chế. Một ƣu điểm nữa đó là tín hiệu laser điểm – điểm rất khó để can thiệp, vì thế tính
bảo mật cao. Tốc độ dữ liệu có thể so sánh với truyền dẫn qua sợi quang và tỉ lệ lỗi thấp.
Ngoài ra việc sử dụng những chùm laser có độ rộng phổ hẹp đảm bảo cho khả năng lắp đặt
nhiều các bộ thu, phát ở cùng một địa điểm.
Hiện nay các nhà cung cấp dịch vụ không ngừng đƣa ra các ứng dụng nên nhu cầu về
dịch vụ băng thông rộng ở trong các mạng đô thị là rất lớn. Tuy nhiên, sự chênh lệch về tốc
độ truyền dẫn giữa mạng lõi và mạng truy nhập đã tạo ra một sự mất cân bằng. Sự mất cân
bằng này thƣờng đƣợc gọi là “nghẽn cổ chai”. Hiện tƣợng “nghẽn cổ chai” xuất hiện ở khắp
nơi trong các mạng đô thị hiện nay.

Hình 1.1: Hiện tƣợng nghẽn cổ chai trong mạng

Một lựa chọn khác đó là công nghệ không dây sử dụng tần số vô tuyến RF (Radio
Frequency). Công nghệ này cho phép truyền đi trong khoảng cách xa hơn FSO, nhƣng các
mạng dựa trên RF yêu cầu sự đầu tƣ lớn khi phải đăng ký dải phổ. Hơn nữa, các công nghệ
RF gặp phải khó khăn khi muốn mở rộng lên dung lƣợng cao. Khi so sánh với FSO, RF
không đảm bảo hiệu quả kinh tế cho các nhà cung cấp dịch vụ đang trông đợi vào sự mở
rộng dung lƣợng của các mạng quang.
Lựa chọn thứ ba đó là công nghệ dựa trên dây cáp đồng (nhƣ Ethernet, T1s hay


3
DSL). Mặc dù hạ tầng cáp đồng có mặt ở khắp nơi và số các tòa nhà sử dụng cáp đồng là

cao hơn sợi quang nhƣng đây vẫn không phải là một giải pháp thỏa đáng trong việc giải
quyết hiện tƣợng nghẽn cổ chai do trở ngại lớn nhất chính là độ rộng băng thông. Công
nghệ cáp đồng có thể giải quyết một số vấn đề ngắn hạn, nhƣng hạn chế về băng thông chỉ ở
mức 2Mbit – 3Mbit/s khiến cho công nghệ này chỉ là một giải pháp tạm thời.
Giải pháp thứ tƣ và thích hợp nhất chính là FSO. Công nghệ này là một giải pháp tối
ƣu nhờ những ƣu điểm của công nghệ quang nhƣ độ rộng băng thông, tốc độ triển khai (vài
giờ so với vài tuần hoặc vài tháng), độ mềm dẻo (có thể tái triển khai và chuyển dịch), hiệu
quả kinh tế cao (trung bình chi phí lắp đặt chỉ bằng 1/5 so với lắp đặt cáp quang).
Môi trƣờng truyền dẫn của hệ thống FSO là không gian tự do, phụ thuôc vào phạm vi truyền
dẫn mà hệ thống FSO đƣợc phân loại thành 2 loại chính nhƣ sau: FSO trong nhà (Indoor
FSO) và FSO ngoài trời (Outdoor FSO).
Đối với FSO trong nhà thì môi trƣờng truyền dẫn chính là khoảng không ở trong các tòa
nhà. Đây là môi trƣờng khá ổn định, không chịu nhiều biến đổi, chi phối của khí hậu bên
ngoài.
FSO ngoài trời thì ngƣợc lại. Môi trƣờng truyền dẫn của loại này chính là bầu khí
quyển. Là môi trƣờng có tính ổn định kém do chịu ảnh hƣởng mạnh mẽ từ các yếu tố môi
trƣờng nhƣ sƣơng mù, mƣa và nhiễu từ ánh sáng bên ngoài …

1.1.1 Các lợi thế và thách thức của hệ thống FSO
 Các lợi thế của FSO
- Không yêu cầu giấy phép phổ tần vô tuyến.
- Không bị ảnh hƣởng của nhiễu điện từ.
- Dễ dàng triển khai lắp đặt.
- Khả năng bảo mật cao.

 Các thách thức đối với hệ thống FSO
Giới hạn cơ bản của FSO do môi trƣờng truyền dẫn gây ra. Ngoài việc tuyết và mƣa
có thế làm cản trở đƣờng truyền quang, FSO chịu ảnh hƣởng mạnh bởi sƣơng mù và sự
nhiễu loạn của không khí. Những thách thức chính trong việc thiết kế các hệ thông FSO:
- Sƣơng mù

- Sự nhấp nháy
- Sự trôi búp
- Giữ thẳng hƣớng phát-thu khi tòa nhà dao động


4
- Sự an toàn cho mắt

1.1.2 Ứng dụng của công nghệ FSO
Các giải pháp FSO cho phép loại bỏ:
- Tắc nghẽn về lƣu lƣợng.
- Yêu cầu xin phép và cấp giấy phép.
- Việc đào rãnh, cống và đặt cáp.
- Vấn đề liên quan tới hợp đồng thuê (cho thuê) tòa nhà.
- Tốn thời gian lắp đặt.
- Chi phí cao.

 Hệ thống FSO và vấn đề an ninh mạng
Mặc dù FSO là công nghệ không dây nhƣng nó không phát quảng bá tới bất kỳ ngƣời
nào và tất cả mọi ngƣời. FSO phát búp sóng ánh sáng hẹp, tần số rất cao tới một nơi xác
định. Do đó rất khó cho một cá nhân nào đó có thể thu trộm thông tin mà không bị phát
hiện.

1.2 Mô hình hệ thống FSO
Hệ thống FSO gồm ba phần: bộ phát, kênh truyền và bộ thu.

Hình 1.2: Mô hình hệ thống FSO


5

1.2.1 Bộ phát
Dữ liệu đầu vào phía nguồn đƣợc truyền tới một đích ở xa. Phía nguồn có cơ chế
điều chế sóng mang quang riêng, chẳng hạn nhƣ điều chế laser, tín hiệu quang sau đó sẽ
đƣợc truyền đi qua kênh khí quyển. Các tham số của hệ thống phát quang là kích cỡ, công
suất và chất lƣợng búp sóng, các tham số này xác định cƣờng độ laser và góc phân kỳ nhỏ
nhất có thể đạt đƣợc từ hệ thống. Phƣơng thức điều chế đƣợc sử dụng rộng rãi tại bộ phát là
điều chế cƣờng độ (IM), trong đó cƣờng độ phát xạ của nguồn quang sẽ đƣợc điều chế bởi
số liệu cần truyền đi. Việc điều chế đƣợc thực hiện thông qua việc thay đổi trực tiếp cƣờng
độ của nguồn quang tại bộ phát hoặc thông qua bộ điều chế ngoài nhƣ bộ giao thoa MZI.
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, tần số và trạng
thái phân cực cũng có thể đƣợc sử dụng để điều chế với cùng với dữ liệu/thông tin thông
qua việc sử dụng bộ điều chế ngoài.
Nguyên lý cấu tạo chung của một bộ phát laser gồm có: buồng cộng hƣởng chứa hoạt
chất laser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang. Trong đó buồng cộng hƣởng với hoạt chất
laser là bộ phận chủ yếu. Buồng cộng hƣởng chứa hoạt chất laser, đó là một chất đặc biệt có
khả năng khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cƣỡng bức để tạo ra tia laser. Khi một photon
tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là một photon khác bay ra theo cùng hƣớng
với photon tới. Mặt khác buồng cộng hƣởng có 2 mặt chắn ở hai đầu, một phản xạ hoàn toàn
các photon khi bay tới, mặt kia cho một phần photon qua một phần phản xạ lại làm cho các
hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn. Vì thế
cƣờng độ chùm laser đƣợc khuếch đại lên nhiều lần.

Hình 1.3: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Laser


6
Ngoài ra, việc tạo tín hiệu phát cũng đƣợc thực hiện bởi các loại nguồn khác nhau
đƣợc mô tả trong bảng 1.2.

1.2.2 Bộ thu
Bộ thu hỗ trợ việc khôi phục các dữ liệu đã đƣợc phát đi từ phía phát. Bộ thu bao
gồm các thành phần sau:

Khẩu độ thu – Tập hợp và tập trung các phát xạ quang tới bộ tách sóng quang. Khẩu
độ (độ mở) của bộ thu lớn sẽ giúp tập hợp đƣợc nhiều phát xạ quang vào bộ tách sóng
quang.

Bộ lọc thông dải quang – Bộ lọc thông dải làm giảm lƣợng bức xạ nền.
Bộ tách sóng quang – PIN hoặc APD chuyển đổi trƣờng quang đến thành tín hiệu
điện. Các bộ tách sóng quang thƣờng đƣợc dùng trong các hệ thống truyền thông quang hiện
nay đƣợc tóm tắt trong bảng 1.3.

Mạch xử lý tín hiệu – Có chức năng khuếch đại, lọc và xử lý tín hiệu để đảm bảo tính
chính xác cao của dữ liệu đƣợc khôi phục.
Có hai loại bộ thu quang cơ bản: bộ thu không kết hợp và bộ thu kết hợp. Bộ thu
không kết hợp tách trực tiếp công suất tức thời của trƣờng quang tập trung khi chúng tới bộ
thu, do đó thƣờng đƣợc gọi là bộ thu tách trực tiếp hoặc tách công suất. Loại bộ thu này là
loại đơn giản nhất trong việc thực hiện và có thể đƣợc sử dụng bất cứ khi nào thông tin
truyền đi xuất hiện sự biến đổi công suất (ví dụ IM) của trƣờng quang. Đối với bộ thu kết
hợp, hay còn gọi là bộ thu heterodyne, trộn lẫn trƣờng sóng ánh sáng cục bộ phát ra với
trƣờng ánh sáng thu đƣợc, và sóng kết hợp này sẽ đƣợc tách photon. Loại bộ thu này thƣờng
đƣợc sử dụng khi thông tin đƣợc điều chế dựa trên sóng mang quang sử dụng điều biên
(AM), điều tần (FM) hoặc điều pha (PM), và là cần thiết cho tách sóng FM hoặc PM.
Quá trình tách của các trƣờng quang bị tác động bởi nhiều loại nguồn nhiễu khác
nhau xuất hiện tại bộ thu. Ba loại nguồn nhiễu chủ yếu trong truyền thông FSO là: ánh sáng
nền xung quanh, bộ tách photon gây ra nhiễu, và nhiễu nhiệt trong mạch điện tử.

7

1.3 Các yếu tố ảnh hƣởng lên hiệu năng của hệ thống FSO
1.3.1 Nhiễu lƣợng tử
1.3.2 Nhiễu nhiệt
1.3.3 Nhiễu dòng tối và nhiễu nền
1.3.4 Các yếu tố khác
1.4 Kết luận chƣơng 1
Nội dung chƣơng 1 đã giới thiệu khái quát về hệ thống truyền thông quang qua không
gian tự do cũng nhƣ mô hình của hệ thống FSO, các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu năng của hệ
thống. Tƣơng lai ngày càng đòi hỏi phải có các giải pháp truyền dẫn tốc độ cao để đáp ứng
yêu cầu của các doanh nghiệp, tổ chức và cá nhân. Các giải pháp cũng cần phải có chi phí
hiệu quả, triển khai nhanh, truyền dẫn thông tin một cách an toàn và tin cậy. FSO có thể đáp
ứng các yêu cầu này và sẽ đƣợc sử dụng ngày càng nhiều trong tƣơng lai.


8

CHƢƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY
2.1 Suy hao trong hệ thống RF và FSO
2.1.1 Suy hao trong hệ thống RF
2.1.2 Suy hao trong hệ thống FSO
2.2 Fading trong hệ thống RF
2.2.1 Hiện tƣợng đa đƣờng (Multipath)
2.2.2 Hiệu ứng Doppler
2.2.3 Các dạng kênh truyền
2.2.4 Các mô hình kênh fading cơ bản
 Mô hình kênh fading Reyleigh
Trong những kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thƣờng đƣợc dùng để mô tả
bản chất thay đổi theo thời gian của đƣờng bao tín hiệu fading phẳng thu đƣợc hoặc đƣờng

bao của một thành phần đa đƣờng riêng lẻ. Chúng ta biết rằng đƣờng bao của tổng hai tín
hiệu nhiễu Gauss trực giao tuân theo phân bố Rayleigh. Phân bố Rayleigh có hàm mật độ
xác suất:

 r
 r2 
exp

  2  (0  r  )
p(r )   2
 2 

0
(r  0)


(2.10)

Với σ là giá trị rms (hiệu dụng) của điện thế tín hiệu nhận đƣợc trƣớc bộ tách đƣờng
bao (evelope detection). σ2 là công suất trung bình theo thời gian.
Xác suất để đƣờng bao của tín hiệu nhận đƣợc không vƣợt qua một giá trị R cho
trƣớc đƣợc cho bởi hàm phân bố tích lũy:




R2 
2 
 2 
0

Giá trị trung bình rmean của phân bố Rayleigh đƣợc cho bởi:
P ( R)  Pr (r  R)   p(r )dr  1  exp  


rmean  E[r ]   rp  r  dr  
0


2

 1.2533

(2.11)

(2.12)

2
Và phƣơng sai  r (công suất thành phần ac của đƣờng bao tín hiệu):


 r 2  E  r 2   E 2 [r ]   rp  r  dr   2
0

Giá trị hiệu dụng của đƣờng bao là





  2  2    0.4292 2

2
2


(2.13)

2 (căn bậc hai của giá trị trung bình bình


9
phƣơng). Giá trị median của r tìm đƣợc khi giải phƣơng trình:

1

2

rmedian



p(r )dr  rmedian  1.177

(2.14)

0

 Mô hình kênh fading Ricean
Trong trƣờng hợp fading Rayleigh, không có thành phần tín hiệu đến trực tiếp bộ thu
mà không bị phản xạ hay tán xạ (thành phần light-of-sight) với công suất vƣợt trội. Khi có
thành phần này, phân bố sẽ là Ricean. Trong trƣờng hợp này, các thành phần đa đƣờng ngẫu

nhiên đến bộ thu với những góc khác nhau đƣợc xếp chồng lên tín hiệu light-of-sight.
Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean:

 r  ( r 2  A2 )
 Ar 
2 2

I 0  2  ( A  0, r  0)
p(r )   2 e
 

0
r 0


(2.15)

A: Biên độ đỉnh của thành phần light-of-sight.
Io: Là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0.
Phân bố Ricean thƣờng đƣợc mô tả bởi thông số k đƣợc định nghĩa nhƣ là tỉ số giữa
công suất tín hiệu xác định (thành phần light-of-sight) và công suất các thành phần đa
đƣờng:

A2
k 2
2
Hay viết dƣới dạng dB: k (dB)  10log

A2
dB

2 2

(2.16)

(2.17)

k xác định phân bố Ricean và đƣợc gọi là hệ số Ricean.
Khi A → 0, k  0 (  dB) thành phần light-of-sight bị suy giảm về biên độ, phân bố
Ricean trở thành phân bố Rayleigh. Hình 2.5 mô tả hàm mật độ xác suất của phân bố
Ricean.

2.3 Nhiễu loạn trong hệ thống FSO
2.3.1 Nhiễu loạn không khí
Chùm tia quang truyền qua khí quyển chịu tác động của nhiễu loạn khí quyển với pha
và biên độ biến thiên ngẫu nhiên. Nhiễu loạn là một trạng thái rối loạn của dòng khí quyển
gây ra bởi sự thay đổi nhiệt độ trong khí quyển. Nhiễu loạn khí quyển bao gồm nhiều khu
vực dòng xoáy hình cầu với đƣờng kính và chỉ số khúc xạ khác nhau. Các chùm tia quang
truyền qua khí quyển ở không gian và thời gian khác nhau với chiết suất khác nhau, các chỉ
số này không đồng nhất ở các quy mô khác nhau. Sự không đồng nhất với quy mô lớn sẽ tạo
ra hiện tƣợng khúc xạ khiến chùm tia phát đi lệch so với hƣớng truyền ban đầu. Do đó, ở
quy mô lớn thì hiệu ứng chủ yếu là làm sai lệch pha của sóng truyền đi. Sự không đồng nhất


10
với quy mô nhỏ tạo ra hiệu ứng nhiễu xạ và làm sai lệch biên độ của sóng gây ra sự biến
thiên của biên độ.

2.3.2 Môi trƣờng truyền dẫn
Kênh truyền dẫn quang khác so với kênh nhiễu Gauss thông thƣờng, tín hiệu đầu vào
của kênh, x(t), thể hiện công suất chứ không phải là biên độ. Điều này dẫn tới hai điều kiện

ràng buộc trên tín hiệu đƣợc truyền: x(t) phải không âm và giá trị trung bình của x(t) không
đƣợc vƣợt quá một giá trị quy định.

1 T
 x  t dt
T  2T T

 max  lim

(2.18)

Trái ngƣợc với kênh thông thƣờng, nơi mà SNR tỉ lệ với công suất, trong các hệ thống
quang công suất điện thu đƣợc và phƣơng sai của nhiễu nổ tỷ lệ tƣơng ứng với Ad2 và Ad;
trong đó Ad là kích thƣớc vùng tách sóng quang. Do đó trong hệ thống truyền dẫn quang bị
hạn chế bởi nhiễu nổ, SNR tỉ lệ với Ad. Điều này có nghĩa là với công suất phát đã cho, có
thể đạt đƣợc SNR cao hơn bằng việc sử dụng bộ tách sóng có vùng tách sóng lớn. Tuy
nhiên, điện dung của bộ tách sóng cũng tăng theo Ad dẫn đến hạn chế về băng thông.
Kênh truyền quang không dây bao gồm các loại khí nhƣ trong bảng 2.3. Ngoài ra,
trong kênh truyền còn bao gồm mƣa, sƣơng mù và các loại khác của hơi nƣớc. Lƣợng hơi
nƣớc có trong kênh truyền phụ thuộc vào vị trí (kinh độ, vĩ độ) và theo từng mùa. Sự tập
trung hơi nƣớc lớn nhất ở gần bề mặt trái đất nằm trong tầng đối lƣu.
Với sự phân bố về kích thƣớc của các dải thành phần khí quyển từ micromet tới
centimet, một trƣờng quang đi qua khí quyển sẽ bị tán xạ hoặc hấp thụ và gây ra suy hao.

2.3.3 Lệch hƣớng phát-thu
Lỗi định hƣớng (sự lệch hƣớng) là tổng độ dịch giữa tâm chùm tia và tâm khẩu độ
thu. Sự lệch hƣớng đƣợc tổng quát gồm 2 yếu tố: sự lệch hƣớng cố định và sự lệch hƣớng
ngẫu nhiên.
Trong đƣờng truyền thẳng của hệ thống FSO, độ chính xác định hƣớng là một vấn đề
quan trọng trong việc xác định hiệu năng đƣờng truyền và độ tin cậy. Tuy nhiên, gió và sự

giãn do nhiệt độ dẫn tới sự rung lắc tòa nhà, điều này gây ra sự lệch hƣớng và fading tín
hiệu tại phía thu. Thu đƣợc một mô hình thống kê mới cho sự lệch hƣớng, mà xác định kích
thƣớc khẩu độ thu, độ rộng chùm tia, và phƣơng sai jitter.


11

Hình 2.6: Mô hình lệch hƣớng của chùm tia

Đối với chùm tia Gauss, sự phân bố chuẩn hóa theo không gian của cƣờng độ tín
hiệu phát tại khoảng cách z từ bộ phát xác định theo:
 2  2
I beam   ; z   2 exp   2 
 z 
z



(2.19)

2

Với  là vec tơ bán kính từ tâm chùm tia, và z là độ rộng búp quang (bán kính tính tại

 2 ) tại khoảng cách z.
1

2 2

 z  

 z  0 1    2  

 0  



(2.20)



Với 0 là độ rộng búp quang tại z = 0,   1  202 / 02 ( z) và 0 ( z)   0.55Cn2 k 2 z 

3 5

là

độ dài kết hợp.
Với một khẩu độ thu của bán kính a và một tham số chùm tia Gauss tại phía thu I beam
, đƣợc chỉ ra ở hình 2.6. Sự suy hao do giãn rộng hình học với độ lệch r đƣợc xác định:

hp  r ; z    I beam    r ; z  d 

(2.21)

A

Với hp . ký hiệu cho tỷ lệ công suất thu đƣợc bởi bộ thu và A là diện tích vùng thu.

2.3.4 Mô hình kênh nhiễu loạn không khí
Trƣờng bức xạ (cƣờng độ) trong môi trƣờng nhiễu loạn là I  A r 

2

trong khi

cƣờng độ trong không gian tự do (không có sự nhiễu loạn) đƣợc cho bởi công thức


12

I 0  A0  r  , và cƣờng độ theo hàm log đƣợc cho bởi công thức:
2

A r 
l  log e
 2
A0  r 
2

(2.33)

Phƣơng sai chuẩn hóa của cƣờng độ, thƣờng đƣợc biết đến dƣới tên gọi là chỉ số
nhấp nháy (S.I.) và đƣợc biểu diễn nhƣ sau:

 I2
S.I .   N  2  exp  l2   1
I0
2

(2.41)

Nhƣ vậy, mô hình kênh log chuẩn chỉ phù hợp cho kênh nhiễu loạn yếu.
 Mô hình kênh nhiễu loạn Gamma-Gamma
Bức xạ chuẩn hóa I=XY có thể đƣợc phân chia thành các hệ số hoạt động giống nhƣ
quá trình điều chế khi X và Y xuất hiện tƣơng ứng, từ cấp độ lớn (large- scale) và cấp độ
nhỏ (small-scale) của hiệu ứng không khí. Giả sử rằng cả hai cấp độ mạnh và cấp độ yếu
của sự dao động bức xạ đƣợc hình thành bởi các phân bố gamma:

 ( X ) 1
pX ( X ) 
exp( X ),  0, X  0
( )
 ( Y) 1
pY (Y) 
exp( X ),   0, Y  0
(  )

(2.42)

(2.43)

Hàm phân bố tích lũy CDF (cummulative distribution function) của hàm mật độ xác
suất Gamma-Gamma PDF có thể đƣợc viết ở dạng gần đúng.
Hàm phân phối tích lũy CDF đƣợc liên kết với phân bố Gamma-Gamma đƣợc viết
thành:


P ( I  IT )   p( I )dI 
sin  (   ) ( )(  )
0

IT

 ( IT ) 

F (  ;   1,     1; IT )
l 2


(




1)




( IT )
F
(

;


1,





1;

I
)

2
T
(    1)l


(2.48)


13
Sự phân bố log-normal không thể mô tả hiệu ứng nhấp nháy trong chế độ nhiễu loạn
mạnh. Trong khi đó, để thiết lập mô hình kênh, một phân bố Gamma-Gamma đã đƣợc sử
dụng cho mô hình fading trong khí quyển. Trong trƣờng hợp này, PDF của ha đƣợc cho là:
    /2

    1
2  
fha (ha ) 
(ha ) 2 K   2  ha
( )   





(2.51)

Trong đó K  (.) là hàm Bessel cải tiến loại hai, và 1/β và 1/α là phƣơng sai của các
nhiễu loạn quy mô nhỏ và lớn tƣơng ứng. Ngƣời ta đã chứng minh rằng PDF GammaGamma phù hợp với các phép đo dƣới nhiều điều kiện nhiễu loạn.

2.4 Kết luận chƣơng 2
Nội dung chƣơng 2 đã trình bày khái niệm và mô hình giải tích của các tham số
đƣờng truyền FSO cũng nhƣ RF. Trong đó, FSO bao gồm suy hao đƣờng truyền, nhiễu loạn
không khí yếu, mạnh và sự lệch hƣớng. RF bao gồm suy hao kênh truyền và fading. Dựa
trên mô hình kênh nêu ở chƣơng 2, việc phân tích, đánh giá hiệu năng của hệ thống lai ghép
RF/FSO dƣới ảnh hƣởng của nhiễu loạn và lệch hƣớng sẽ đƣợc trình bày trong chƣơng 3.


14

CHƢƠNG 3: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG
KHÔNG DÂY LAI GHÉP RF/FSO
3.1 Giới thiệu về hệ thống lai ghép RF/FSO
Trong khi nhu cầu về mạng không dây RF tiếp tục tăng và chƣa đáp ứng đƣợc nhu
cầu của ngƣời sử dụng, công nghệ FSO bắt đầu nổi lên nhƣ một giải pháp tối ƣu cho viễn
thông. Tuy nhiên, một trong những hạn chế lớn của công nghệ FSO là đòi hỏi duy trì tầm
nhìn thẳng (LOS), và tuyến FSO bị ảnh hƣởng mạnh bởi điều kiện thời tiết bất lợi nhƣ
sƣơng mù và tuyết rơi nặng. Những đặc tính bổ sung của RF và FSO thúc đẩy nghiên cứu hệ
thống lai ghép RF/FSO, trong đó những điểm yếu của từng loại liên kết sẽ đƣợc giảm thiểu.
Hệ thống truyền thông không dây lai ghép RF/FSO đƣợc xem nhƣ một giải pháp tối ƣu cho
việc truyền dữ liệu tốc độ bit cao qua môi trƣờng nhiễu loạn mạnh và thời tiết xấu [8].
Chƣơng này sẽ trình bày về hiệu năng của hệ thống này với các mô hình kênh thích hợp và
tính toán xác suất dƣới ngƣỡng (dừng) cũng nhƣ tỷ lệ lỗi bit (BER).
Mô hình kênh Rayleigh sẽ đƣợc sử dụng cho tuyến RF trong môi trƣờng có nhiều đối
tƣợng làm phân tán các tín hiệu vô tuyến trƣớc khi nó đến bộ thu. Mô hình kênh phân bố
Gamma-Gamma thích hợp nhất cho việc mô hình hóa các bức xạ của tuyến FSO trong mọi

môi trƣờng từ nhiễu loạn mạnh tới yếu.

3.2 Mô hình hệ thống
Hiệu năng của liên kết RF/FSO bất đối xứng với giả định rằng tuyến RF và tuyến FSO
có fading Rayleigh và fading Gamma-Gamma. Kỹ thuật chuyển tiếp dùng cơ chế khuếch
đại và chuyển tiếp (AF) với hệ số khuếch đại cố định sẽ đƣợc xem xét.
Dựa trên kỹ thuật chuyển tiếp, hệ thống đƣợc thiết kế bằng cách sử dụng tuyến FSO tại
một chặng và một tuyến RF tại chặng khác. Nút nguồn S kết nối với điểm đến, nút D, thông
qua một nút chuyển tiếp R nhƣ trong hình 3.1 [8].

Hình 3.1: Mô hình hệ thống lai ghép RF/FSO


15
Với P1 là công suất phát từ nguồn S. Nếu nút chuyển tiếp có độ khuếch đại cố định,
ta có thể đặt C 

1
2

G N01

, SNR đƣợc viết lại thành:



 1 2
2 C

(3.6)

h12 P1
 2I 2
Với  1 
và  2 
lần lƣợt là SNR của tuyến RF và FSO.
N01
N02

3.2.1 Mô hình kênh liên kết RF
Fading Rayleigh là một mô hình đƣợc sử dụng khi trong môi trƣờng có nhiều đối
tƣợng làm phân tán các tín hiệu vô tuyến trƣớc khi nó đến bộ thu. Vì vậy, giả định rằng
tuyến liên kết S-R (RF) có phân bố Rayleigh [6] với hàm mật độ xác suất (PDF):

f 
1

  
exp   1 
1
 1 

(3.7)

1

Với  1 là SNR trung bình của tuyến RF.

3.3.2 Mô hình kênh liên kết FSO
Trong luận văn này, để mô hình hóa tuyến FSO trong điều kiện nhiễu loạn mạnh và

vừa, ta dùng phân bố fading Gamma – Gamma, hàm PDF của nó đƣợc cho bởi [4], [6]:
   

    2  I 
2  
 
I
fI  I  
       I

2 1



K    2 



I
I


, I  0



(3.8)

Một mô hình có ý nghĩa cho việc ƣớc lƣợng các tham số biến động đƣợc đề xuất bởi
Hufnagel và Stanley. Biểu thức toán học của nó nhƣ sau:

Cn2  h   K0h1 3 exp   h h0 

(3.14)

Với K0 là chỉ số nhiễu loạn, phụ thuộc vào địa điểm lắp đặt tuyến quang không dây cụ thể,

h là độ cao.
Một mô hình khác cho việc ƣớc tính các thông số nhiễu loạn khí quyển, Cn2 , là mô


16
hình SLC ban ngày và ban đêm, chỉ phụ thuộc vào chiều cao nơi tuyến FSO hoạt động.
Lƣu ý rằng các giá trị đƣợc sử dụng chủ yếu của alpha và beta (α = 4,2, β = 1,4) cho
nhiễu loạn mạnh và (α = 4, β = 1,9) cho nhiễu loạn vừa với một bƣớc sóng khoảng 785 nm
và một phạm vi trong khoảng từ 20 m đến 5 km.

3.3 Mô hình toán học đánh giá hiệu năng của hệ thống

3.3.1 Mô hình toán học tính toán xác suất dƣới ngƣỡng (dừng)
Xác suất dƣới ngƣỡng đƣợc định nghĩa là [8]:

Pout  Pr  min   1 ,  2    th 

(3.17)

Với  th là ngƣỡng SNR,  1 và  2 lần lƣợt là SNR tức thời của tuyến FSO và RF,  1 và  2
độc lập với nhau.
Công thức 3.17 có thể đƣợc viết thành [7]:


  1 2

  th  2  f 2 d  2
 2 C


(3.18)



(3.19)

Pout   Pr 
0

Ta có:
  1 2

  th  2  
 2 C


Pr 



th 1



0

C

 2 

    C  
f 1 d  1  1  exp   th 2

 21



Xác suất dƣới ngƣỡng (dừng) đƣợc viết:
   

  
 
Pout  1  exp   th 
E 
    4  th 

 1          2
2

(3.20)


  thC 

 
K   2   2  d 2
2 

  1 2 

(3.21)

Với tích phân của E  th  đƣợc viết thành:


E  th     2    41 exp  
0

3.3.2 Tỷ lệ lỗi bit trung bình
Tƣơng tự, các kênh RF và FSO đƣợc giả định với phân bố fading Rayleigh và


17
Gamma-Gamma. Nếu coi P (e | γ) biểu thị xác suất lỗi bit có điều kiện trong một kênh
AWGN, xác suất lỗi trung bình có thể đƣợc thể hiện nhƣ sau [8]:


(3.22)

Pe   P  e   f d
0

Xác suất lỗi có điều kiện đƣợc cho bởi:

P e    Q







(3.23)

Với  là 2 và 1 lần lƣợt cho điều chế BPSK và QPSK. Thế 3.23 vào 3.22 ta có:
1
Pe 
2

 


0

 t2 
1
 exp   2  f   dtd  2




 t2 
 t2 
0 F    exp   2  dt

(3.24)

Ở đây, F là hàm phân phối tích lũy (CDF) của biến  . Đặt x  t 2 , tỷ lệ lỗi trung
bình đƣợc viết lại thành:
1
Pe 
2



 x  dx
0 F    2 x

(3.25)

Theo nhƣ công thức 3.20, sử dụng hàm CDF và thay biến  th bằng  ta có xác suất
dƣới ngƣỡng đƣợc viết thành:
   

  
 
F  1  exp   th 
E 
    4  

 1          2
2

Thay công thức 3.26 vào 3.25, đồng thời đổi biến  

(3.26)

x
, tỷ lệ lỗi trung bình đƣợc


viết rộng ra thành:
    2


  th 
 

1 
 x 
 x  dx

Pe 
1  exp   
E
exp   

    4   
2 0 
 
 22 x
  1          2



 L  H1  ,    H 2  ,  

(3.27)


18

3.3.3 Khảo sát hiệu năng hệ thống khi có sự lệch hƣớng
 SNR của hệ thống khi có lệch hƣớng
Hàm PDF của SNR đƣợc viết thành:


2

3,0
f   2  
G1,3
  2
      
2

2

 2 1
 2 , ,





(3.31)

Với  và  là thông số fading của nhiễu loạn khí quyển, các thông số này càng thấp thì
nhiễu loạn khí quyển càng mạnh.  là tỷ lệ giữa bán kính chùm tia tƣơng đƣơng với độ lệch
chuẩn (jitter) của máy thu.

 Xác suất dƣới ngƣỡng (dừng) của hệ thống khi có lệch hƣớng
Xác suất dƣới ngƣỡng khi có sự lệch hƣớng đƣợc viết thành:

K1 
  th  6,0  B

 G1,6   th
K2 
 1 
 1

Pout  1  A1 exp  

(3.32)

Với:
K1 
A1 

2
2

 1;

K2 

 2   1   1

, ,
, ,
,0
2 2 2 2 2

2    2
2 C
; B   
8      
16 2

Trong trƣờng hợp không có sự lệch hƣớng,   0 , ta sẽ có Pout đƣợc tính nhƣ công
thức (3.20).

 Tỷ lệ lỗi bit (BER) của hệ thống khi có lệch hƣớng
Từ công thức 3.32, ta viết đƣợc hàm CDF của tỷ lệ lỗi bit (BER) thành:

K1 
  th  6,0  B

 G1,6   th
K2 
 1 
 1

F     1  A1 exp  
Với:

K1 
K2 

2
2

1

 2   1   1

, ,
, ,
,0
2 2 2 2 2

A1 

2    2
8      

B   

2

C
16 2

(3.33)


19
PDF của BER trong gần đúng đƣợc viết dƣới dạng hàm Meijers G thành:

f   

Với K3 




K1  
  
A1
5,0 B
2
6,0 B
exp     2 1G0,5


2




G




 
1
1,6 
th

K
K
2  1


3
2
1
1
 1  







  1   1
2

,

2

,

2

,

2



(3.34)

,0

Trong trƣờng hợp không có sự lệch hƣớng, BER trung bình của hệ thống là:


(3.35)

Pe   P  e   f d
0

Pe cũng có thể viết theo một cách khác [9, Eq 12]:
Pe 

qp



exp  q  

2  p  

p 1

F   d

(3.36)

0

Thay công thức 3.33 vào công thức 3.35, dùng [1, Eq. (7.813.1)], ta có BER trung
bình của các phƣơng pháp điều chế nhị phân đƣợc viết thành:
p
 p
1 Aq
B
1 p , K1 
6,1 
1
Pe  
G



2,6
th
2 2 q 1  p
q 1  1 K2



1
1



(3.37)



Với p và q là các thông số của các kiểu điều chế nhị phân, đƣợc thể hiện trong bảng 3.1.

3.4 Các kết quả khảo sát
Phần này trình bày các kết quả khảo sát xác suất dƣới ngƣỡng, tỷ lệ lỗi bít (BER) và
sự lệch hƣớng của hệ thống lai ghép RF/FSO [10].


20

3.4.1 Xác suất dƣới ngƣỡng

Hình 3.2: Xác suất dƣới ngƣỡng của hệ thống trong điều kiện nhiễu loạn mạnh và vừa với  th = 0
dB [10].

Hình 3.2 khảo sát xác suất dƣới ngƣỡng của hệ thống trong phân bố Gamma-Gamma
với  = 4,2 và  = 1,4 cho nhiễu loạn mạnh,  = 4 và  = 1,9 cho nhiễu loạn vừa phải
cho thấy đƣợc các giá trị SNR khác nhau [10].


21

3.4.2 Tỷ số lỗi bit (BER)

Hình 3.7: So sánh BER giữa hai điều chế BPSK và QPSK trong nhiễu loạn mạnh (  = 4,2 và  =
1,4) với C = 1 [10].

Hình 3.7 khảo sát BER trung bình của hệ thống trong môi trƣờng nhiễu loạn mạnh
với điều chế BPSK và QPSK. Ta có thể thấy rằng, trong điều kiện nhiễu loạn mạnh, BER
trung bình với điều chế BPSK là tốt hơn rất nhiều so với điều chế QPSK, đặc biệt khi SNR
trung bình càng tăng cao thì sự chêch lệch đó càng rõ rệt [10].

3.4.3 Khảo sát hệ thống trong ảnh hƣởng của lệch hƣớng
 Xác suất dƣới ngƣỡng


22

Hình 3.8: Xác suất dƣới ngƣỡng của hệ thống trong nhiễu loạn mạnh (  = 4,2 và  = 1,4) với 
khác nhau và  th  10 dB [10].

Hình 3.8 khảo sát xác suất dƣới ngƣỡng của hệ thống trong nhiễu loạn mạnh và có
lệch hƣớng. Ta có thể thấy khi  tăng lên thì tác động của sự lệch hƣớng giảm xuống, Pout
giảm và ngƣợc lại. Khi  tiến tới 1, tác động của sự lệch hƣớng lên hệ thống là rất lớn, đặc
biệt khi SNR lớn hơn 15 dB [10].
 Tỷ lệ lỗi bit (BER)
Ở đây, ta lựa chọn điều chế BPSK  p  0,5; q  1 để khảo sát BER trung bình của
hệ thống trong nhiễu loạn mạnh.


23

Hình 3.9: BER trung bình khi có lệch hƣớng trong môi trƣờng nhiễu loạn mạnh (  = 4,2 và

 = 1,4) với  khác nhau và C = 1 [10].
Hình 3.9 khảo sát BER trung bình của hệ thống bằng điều chế BPSK. Tác động của sự
lệch hƣớng đƣợc quan sát thấy là sự lệch hƣớng (giá trị của  tăng, tác động của sự lệch
hƣớng giảm) tăng, BER giảm và ngƣợc lại [10].

3.5 Kết luận chƣơng 3
Chƣơng này đã tìm hiểu và phân tích hiệu năng hệ thống lai ghép RF/FSO qua môi
trƣờng nhiễu loạn không khí và lệch hƣớng. Các kết quả tính toán tỷ lệ lỗi bit (BER) và xác
suất dƣỡi ngƣỡng (dừng) khi không có lệch hƣớng và có lệch hƣớng là khả quan, cho thấy
tiềm năng rất lớn của hệ thống này.