Đánh giá hiệu năng hệ thống truyền thông không dây lai ghép RF FSO (LV thạc sĩ)

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2016


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. ĐẶNG THẾ NGỌC

HÀ NỘI - 2016

i
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.
Tác giả

Bùi Quốc Vƣơng


ii
LỜI CẢM ƠN

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

Hà Nội, 16 tháng 01 năm 2017
Học viên

Bùi Quốc Vƣơng

iii
MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN…. .................................................................................................. ii
MỤC LỤC…….................................................................................................... iii
DANH MỤC HÌNH VẼ.........................................................................................v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................. vi
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. vii
LỜI MỞ ĐẦU…. ...................................................................................................1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG
KHÔNG DÂY FSO ...............................................................................................3
1.1 Giới thiệu hệ thống FSO ..............................................................................3
1.1.1 Các lợi thế và thách thức của hệ thống FSO .....................................7
1.1.2 Ứng dụng của công nghệ FSO.........................................................10
1.2 Mô hình hệ thống FSO...............................................................................12
1.2.1 Bộ phát .............................................................................................13
1.2.2 Bộ thu...............................................................................................16
1.3 Các yếu tố ảnh hƣởng lên hiệu năng của hệ thống FSO ............................17
1.3.1 Nhiễu lƣợng tử .................................................................................17
1.3.2 Nhiễu nhiệt.......................................................................................18
1.3.3 Nhiễu dòng tối và nhiễu nền ............................................................19
1.3.4 Các yếu tố khác ................................................................................19
1.4 Kết luận chƣơng 1 ......................................................................................19
CHƢƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY.......20
2.1 Suy hao trong hệ thống RF và FSO ...........................................................20
2.1.1 Suy hao trong hệ thống RF ..............................................................20
2.1.2 Suy hao trong hệ thống FSO............................................................21
2.2 Fading trong hệ thống RF ..........................................................................26

2.2.1 Hiện tƣợng đa đƣờng (Multipath) ...................................................26
2.2.2 Hiệu ứng Doppler ............................................................................27
2.2.3 Các dạng kênh truyền ......................................................................28
2.2.4 Các mô hình kênh fading cơ bản .....................................................30


iv

2.3 Nhiễu loạn trong hệ thống FSO .................................................................33
2.3.1 Nhiễu loạn không khí ......................................................................33
2.3.2 Môi trƣờng truyền dẫn .....................................................................34
2.3.3 Lệch hƣớng phát-thu ........................................................................35
2.3.4 Mô hình kênh nhiễu loạn không khí ................................................39
2.4 Kết luận chƣơng 2 ......................................................................................44
CHƢƠNG 3: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG
KHÔNG DÂY LAI GHÉP RF/FSO ....................................................................45
3.1 Giới thiệu hệ thống lai ghép RF/FSO ........................................................45
3.2 Mô hình hệ thống .......................................................................................45
3.2.1 Mô hình kênh liên kết RF ................................................................47
3.2.2 Mô hình kênh liên kết FSO..............................................................47
3.3 Mô hình toán học đánh giá hiệu năng của hệ thống ..................................50
3.3.1 Mô hình toán học tính toán xác suất dƣới ngƣỡng (dừng) ..............50
3.3.2 Tỷ lệ lỗi bit trung bình .....................................................................51
3.3.3 Khảo sát hiệu năng hệ thống khi có sự lệch hƣớng .........................53
3.4 Các kết quả khảo sát ..................................................................................55
3.4.1 Xác suất dƣới ngƣỡng ......................................................................56
3.4.2 Tỷ số lỗi bit (BER) ..........................................................................58
3.4.3 Khảo sát hệ thống trong ảnh hƣởng của lệch hƣớng .......................61
3.5 Kết luận chƣơng 3 ......................................................................................63
KẾT LUẬN ......................................................................................................64

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................65


v
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Hiện tƣợng nghẽn cổ chai trong mạng ........................................................... 4
Hình 1.2: Các ảnh hƣởng bên ngoài tời hệ thống FSO .................................................. 8
Hình 1.3: Mô hình hệ thống FSO ................................................................................. 12
Hình 1.4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Laser ................................................... 14
Hình 2.1: Hiện tƣợng truyền sóng đa đƣờng ................................................................ 27
Hình 2.2: Hàm truyền đạt của kênh .............................................................................. 28
Hình 2.3a: Kênh truyền chọn lọc tần số ( f0  W ) ....................................................... 29
Hình 2.3b: Kênh truyền chọn lọc tần số ( f0 >W ) ........................................................ 29
Hình 2.4: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh ................................................ 31
Hình 2.5: Hàm mật độ xác suất phân bố Ricean: k =  dB (Rayleigh), k = 6 dB. ..... 33
Hình 2.6: Mô hình lệch hƣớng của chùm tia ................................................................ 36
Hình 3.1: Mô hình hệ thống lai ghép RF/FSO ............................................................. 46
Hình 3.2: Xác suất dƣới ngƣỡng của hệ thống trong điều kiện nhiễu loạn mạnh và vừa
với  th = 0 dB, [10] ....................................................................................................... 56
Hình 3.3: Xác suất dƣới ngƣỡng của hệ thống trong điều kiện nhiễu loạn mạnh và vừa
với  th = 10 dB, [10] ..................................................................................................... 57
Hình 3.4: BER hệ thống trong các môi trƣờng nhiễu loạn với điều chế BPSK (   2 )
và C = 1, [10] ................................................................................................................ 58
Hình 3.5: BER trung bình của hệ thống trong các môi trƣờng nhiễu loạn với điều chế
QPSK và C = 1, [10]..................................................................................................... 59
Hình 3.6: So sánh BER giữa hai điều chế BPSK và QPSK trong nhiễu loạn vừa phải
(  = 4 và  = 1,9; C = 1), [10] ................................................................................... 60
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] ................................................................................. 61
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] ................................................................... 62
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] ......................................................... 63


vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Bảng so sánh FSO và một số công nghệ khác ............................................... 5
Bảng 1.2: Các loại nguồn quang ................................................................................... 15
Bảng 1.3: Bộ tách sóng FSO ........................................................................................ 17
Bảng 2.1: Các phần tử khí có trong kênh truyền .......................................................... 25
Bảng 2.2: Bán kính và quá trình tán xạ của các hạt tán xạ điển hình có trong không khí
tại  = 850 nm .............................................................................................................. 27
Bảng 2.3: Điều kiện thời tiết và các giá trị tầm nhìn .................................................... 28
Bảng 2.4: Giá trị NMSE giữa giá trị chính xác và xấp xỉ của hp ................................ 32
Bảng 3.1: Thông số các kiểu điều chế nhị phân ........................................................... 59


vii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

APD

Avalanche Photodiode

Photodiode quang thác

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Nhiễu Gauss trắng cộng

AF

Amplify and Forward

Khuếch đại và chuyển tiếp

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ bit lỗi

BEP

Bit Error Probability

Xác suất bit lỗi

BPSK

Binary Phase-Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân

CDF

Combined Distribution Frame

Hàm phân phối tích lũy

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập (ngƣời dùng)

DSL

Digital Subcriber Line

Đƣờng dây thuê bao số

DWDM

Dense-Wave Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bƣớc
sóng với mật độ cao

FSO

Free Space Optics

Truyền quang qua không gian tự

do

HFC

Hybrid Fiber Coaxial

Lai ghép cáp sợi quang – cáp
đồng trục

IM/DD

Intensity

Modulation/

Direct Điều chế cƣờng độ/ Tách sóng

Detection

trực tiếp

LAN

Local Area Network

Mạng cục bộ

Laser

Light amplication by Stimulated Khuếch đại ánh sáng bằng phát

LED

Emission of Radiation

xạ kích thích

Light Emitting Diode

Diode phát xạ ánh sáng


viii
LD

Laser Diode

Laser diode

LOS

Line of Sight

Đƣờng nhìn thấy

MAN

Metropolitan Area Network

Mạng đô thị

MSE

Mean Squared Error

Sai lỗi bình phƣơng chuẩn hóa

PD

Photodetector

Bộ tách sóng quang

PDF

Probability Density Function

Hàm mật độ xác suất

PSK

Phase Shift Keying

Khóa dịch pha

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Điều chế pha trực giao

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

SAN

Storage Area Network

Mạng lƣu trữ

SLC

Serial Link Combiner

Ghép kênh quang theo thứ tự

WDM

Wavelength Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo bƣớc
sóng


1

LỜI 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.
Trong luận văn này, để tiện theo dõi, nội dung các chƣơng đƣợc khái quát lại
nhƣ sau:
− Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống truyền thông quang không dây FSO,
bao gồm khái niệm, cấu trúc, ƣu nhƣợc điểm, cũng nhƣ các mô hình hệ thống FSO.
− Chƣơng 2: Giới thiệu về các yếu tố ảnh hƣởng tới suy hao trong hệ
thống FSO và RF. Nhiễu loạn không khí, giới thiệu về mô hình kênh nhiễu loạn
không khí.

2
− Chƣơng 3: Đánh giá hiệu năng hệ thống truyền thông không dây lai
ghép RF/FSO, đƣa ra các nhận xét, đánh giá về hệ thống, là trọng tâm của luận văn.
Mặc dù đã hết sức cố gắng trong quá trình nghiên cứu, nhƣng luận văn chắc chắn
sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, em rất mong nhận đƣợc sự thông cảm và
góp ý, nhận xét của các thầy cô giáo để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 16 tháng 01 năm 2017

Bùi Quốc Vƣơng


3

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. Các nhà cung
cấp dịch vụ đang đối mặt với sự cần thiết phải thay đổi nhanh chóng và hiệu quả ở
cùng một thời gian khi mà vốn đầu tƣ bị hạn chế. Về mặt công nghệ, đã có rất nhiều
giải pháp cho vấn đề này nhƣng hầu hết đều chƣa đạt đƣợc hiệu quả về giá trị kinh tế.
Đầu tiên, lựa chọn hiển nhiên nhất để tăng dung lƣợng cho mang truy nhập đó
là sử dụng cáp sợi quang. Cáp sợi quang chính là giải pháp tin cậy nhất của truyền
thông quang. Nhƣng thời gian lắp đặt và chi phí chính là cản trở của phƣơng pháp này
khi tính đến mặt kinh tế. Hơn nữa, một khi đã lắp đặt sợi quang thì nó sẽ trở thành
một “giá trị cố định” và không thể bố trí lại nếu khách hàng chuyển sang một nhà
cung cấp dịch vụ mới, khiến cho rất khó có thể khôi phục lại giá trị hạ tầng trong một
khung thời gian hợp lý.


4

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
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). Với các nhà cung cấp mạng đô thị MAN (Metropolitan Area
Network) thì vấn đề “dặm cuối” (last mile) đang làm nản chí các nhà cung cấp trong
các dịch vụ băng thông rộng. FSO có thể giải quyết vấn đề này và cho phép các khách
hàng mới có thể truy nhập vào mạng MAN tốc độ cao.


5
Bảng 1.1: Bảng so sánh FSO và một số công nghệ khác

UTP
Cáp đồng

Sóng viba

Vệ tinh

500Mbps

275Mbps

90Mbps

Khó

Khó

(CAT-5)
Tốc độ

10Mbps –

truyền

1.000Mbps

Cài đặt

Dễ dàng

Trung
bình

Cáp
quang
100Mbps100Gbps
Khó

FSO

Đa dạng
Trung
bình

Trung

Chi phí

Ít nhất

Trung

Trung

bình

bình

bình
(không

Cao

tính giá

Trung
bình

vệ tinh)
Bảo trì
Kĩ

Thấp

năng

cần thiết

Thấp

để cài đặt
Đối tƣợng
sử

Mạng

dụng LAN trong

thông

Trung

Thấp

Thấp

Thấp

Cao

Cao

Cao

Mạng đa

Điểm –

Điểm –

Điểm –

Giữa các

điểm

điểm,

điểm,

điểm

tòa nhà,

khoảng

khoảng

khoảng

cách ngắn

cách dài

cách ngắn

Tốc độ

Tốc độ,

Bảo mật,

Giá cả,
hiệu năng

bình
Trung
bình

các tòa nhà

dụng

Ƣu điểm

Rẻ, thân

Ít gây

thiện, dễ

nhiễu tới

tính di

dung

cài đặt,

các thiết

động cao

lƣợng lớn,

phổ biến

bị khác,

không

tốc độ cao

chịu ảnh
hƣởng

Thấp

Trung
bình

hợp lý


6
nhiễu điện

từ (EMI)
Gây nhiễu,

Kềnh

Có thể bị

Trễ

Khó ghép

Có thể bị

bị giới hạn

càng, khó

chặn

truyền

nối

chặn

khoảng

sử dụng

sóng, có

Nhƣợc

cách nếu

thể bị

điểm

không có

chặn

bộ lặp hay
bộ khuếch
đại
Bảo mật

Ghi chú

Tốt

Tốt

Kém

Kém

Rất tốt

Tốt

Cáp xoắn

Băng rộng

Yêu cầu

Ít sử dụng

Chƣa có

Công

cho phép

yêu cầu

đăng ký

cho các

giới hạn

nghệ mới

tốc độ cao

cƣờng độ

sóng từ

mạng cá

về dung

hơn nhƣng

bảo trì

FCC

nhân

lƣợng

khó sử

cao hơn

dụng

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 …


7

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.
Công nghệ FSO có thể đáp ứng rất nhiều ƣu điểm, khi so sánh với công nghệ

cáp sợi. Các hệ thống FSO có thể đƣợc triền khai với rất nhiều các kiến trúc mạng,
đƣợc lắp đặt từ nóc nhà tới nóc nhà, cửa sổ tới cửa sổ hoặc tùy theo yêu cầu. Nó cũng
có thể đƣợc thực hiện cho các ứng dụng xách tay, và trong một vài trƣờng hợp việc
sản xuất này còn có chi phí thấp hơn các đƣờng truyền cáp quang. Vì vậy, công nghệ
FSO giúp loại bỏ quá trình triển khai tốn kém. Truyền thông FSO analog có thể giảm
các thiết bị truyền dẫn khi so sánh với việc thực hiện số.

Khi so sánh với các đƣờng truyền vô tuyến, các đƣờng truyền FSO không cần
sự cấp phép, nó có tính đề kháng cao đối với các loại nhiễu điện từ BMI
(Electromagnetic Interference), và cung cấp tính bảo mật đƣờng truyền tốt hơn. Hơn
nữa, các đƣờng truyền FSO cũng có tính đề kháng cao với các nhiễu từ các nguồn
khác của bức xạ quang. Chùm tia FSO không thể bị phát hiện bằng các bộ phân tích
phổ hay các máy đo RF. Sự truyền dẫn laser FSO là toàn quang và truyền dọc theo
đƣờng nhìn thẳng LOS (Line-of-Sight) mà không thể bị can thiệp dễ dàng. Các chùm
laser đƣợc tạo bởi hệ thống FSO là hẹp và không nhìn thấy đƣợc. Dữ liệu có thể đƣợc
truyền qua kết nối đƣợc bảo mật bổ sung cho các mạng truyền dẫn FSO.
Đối với nhà cung cấp giải pháp mạng đô thị băng thông rộng thì FSO là một
giải pháp vô cùng hiệu quả. Hệ thống này có thừa băng thông (200 THz trong phạm vi
bƣớc sóng 700-1500 nm). Ví dụ với một mạng đô thị, việc triền khai một hệ thống
cáp quang hay thuê lại của nhà cung cấp dịch vụ đều là giải pháp tốn kém. Với FSO,
chúng ta có thể thiết lập một hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao một cách nhanh
chóng, an toàn và chi phí thấp, không tốn nhiều tiền để bảo dƣỡng và hạn chế tối đa


8
các rủi ro khách quan. Hơn nữa còn góp phần làm cho bộ mặt của nội thị văn minh
hơn.

 Các thách thức đối với hệ thống FSO
Giới hạn cơ bản của FSO do môi 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.

Hình 1.2: Các ảnh hƣởng bên ngoài tời hệ thống FSO

Sƣơng mù: Sƣơng mù là một thách thức chính. Sƣơng mù là hơi nƣớc đƣợc tập

hợp từ những giọt nƣớc nhỏ có đƣờng kính vài trăm micro mét nhƣng có thể làm thay
đổi đặc tính truyền lan của ánh sáng hoặc ngăn cản hoàn toàn sự truyền lan của ánh
sáng thông qua sự kết hợp của các hiện tƣợng hấp thụ, tán xạ và phản xạ. Điều này có
thể dẫn đến sự suy giảm mật độ công suất của búp sóng phát, giảm cự ly hoạt động
của tuyến FSO.

Sự nhấp nháy: Sự nhấp nháy là sự biến đổi về không gian của cƣờng độ sáng
gây ra bởi sự hỗn loạn không khí. Gió và sự thay đổi nhiệt độ tạo ra những túi khí có
mật độ thay đổi nhanh dẫn tới sự thay đổi nhanh chỉ số chiết xuất, đó chính là nguyên
nhân gây ra sự hỗn loạn. Các túi khí này đóng vai trò nhƣ những thấu kính có đặc tính


9
thay đổi theo thời gian và làm tỷ lệ lỗi bit của các hệ thống FSO tăng mạnh, đặc biệt
là khi có ánh sáng mặt trời.

Sự trôi búp: Sự trôi búp xảy ra khi luồng gió hỗn loạn (gió xoáy) lớn hơn
đƣờng kính của búp sóng quang gây ra sự dịch chuyển chậm nhƣng đáng kể của búp
sóng quang. Sự trôi búp cũng có thể là kết quả của các hoạt động địa chấn gây ra sự
dịch chuyển tƣơng đối giữa vị trí của laser phát và bộ thu quang.

Giữ thẳng hƣớng phát-thu khi tòa nhà dao động: Giữ thắng hƣớng giữa khối
phát và khối thu là rất quan trọng nhằm đảm bảo sự thành công của việc truyền tín
hiệu. Đây thực sự là vấn đề phức tạp khi sử dụng búp sóng hẹp phân tán góc và tầm
nhìn. Sự dẫn nhiệt của các phần khung tòa nhà hoặc những trận động đất yếu có thể
gây ra sự lệch hƣớng. Trong khi sự dẫn nhiệt có đặc tính chu kỳ theo ngày hoặc mùa
thì động đất lại không thể dự đoán đƣợc. Một nguyên nhân gây ra sự lệch hƣớng nữa
là gió, đặc biệt khi các thiết bị thu phát đƣợc đặt trên các tòa nhà cao. Sự dao động
của tòa nhà là một quá trình ngẫu nhiên làm ảnh hƣởng đến hiệu năng của hệ thống và
gây ra lỗi.

Sự an toàn cho mắt: Với sự gia tăng của các hệ thông truyền thông quang vô
tuyến sử dụng các búp laser hƣớng về các vùng dân cƣ mật độ cao, sự an toàn cho mắt
là vấn đề đáng đƣợc quan tâm. Những hệ thống FSO này phải an toàn đối với mắt, có
nghĩa là chúng phải không gây nguy hiểm cho những ngƣời vô tình gặp phải các búp
sóng quang. Yêu cầu này rõ ràng sẽ tạo ra giới hạn cho cƣờng độ búp sóng phát của
laser. Laser với công suất cao có thế đƣợc sử dụng an toàn hơn với các hệ thống sử
dụng bƣớc sóng 1550 nm, hơn là với các hệ thống sử dụng bƣớc sóng 850 nm và 780
nm. Điều này là do các bƣớc sóng nhỏ hơn khoảng 1400 nm đƣợc tập trung bởi giác
mạc của mắt vào một điểm rơi trên võng mạc, có thể gây tác hại xấu đến mất.
Công suất laser an toàn có thể chấp nhận đƣợc tại bƣớc sóng 1550 nm là lớn
hơn so với tại các bƣớc sóng khác khoảng 50 lần. Hệ số 50 này là rất quan trọng do nó
cung cấp tới 17 dB dự trữ thêm, cho phép hệ thống có thể truyền qua khoảng cách xa,
qua các môi trƣờng suy hao mạnh, và hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao. Tuy nhiên, các hệ
thống sử dụng bƣớc sóng 1550 nm lại đắt hơn gấp 10 lần so với các hệ thống sử dụng
bƣớc sóng 850 nm. Tốc độ dữ liệu cao nhất có thể đạt đƣợc với các hệ thông thƣơng


10
mại sử dụng bƣớc sóng 850 nm là 622 Mbps, và đối với các hệ thống sử dụng bƣớc
sóng 1550 nm là 2,5 Gbps.

1.1.2 Ứng dụng của công nghệ FSO
 Kết nối tốc độ cao giữa các tòa nhà với FSO
Hiện nay, các doanh nghiệp đang gặp phải vấn đề quá tải lƣu lƣợng mạng tại
các kết nối giữa các tòa nhà. Với các doanh nghiệp sử dụng các mạng nội bộ dựa trên
tiêu chuẩn Gigabit Ethernet, các kết nối 2,048 (hoặc 1,544) Mbit/s giữa các tòa nhà sẽ
làm hạn chế lƣu lƣợng kết nối. Trong khi đó, các doanh nghiệp với yêu cầu số liệu lớn
mong muốn truyền dẫn dung lƣợng cao giữa các trụ sở doanh nghiệp mà không sử
dụng các kết nối sợi quang chi phí cao. Việc lắp đặt sợi quang cũng phức tạp và tốn

thời gian hơn. Ngoài ra, việc xin cấp phép, vấn đề an ninh, đào rãnh, đặt cáp và yêu
cầu về môi trƣờng cũng là các vấn đề trở ngại. Đề loại bỏ các vấn để trở ngại trên và
tăng lƣu lƣợng kết nối, các doanh nghiệp có các tòa nhà nằm trong tầm nhìn thẳng
chuyển sang sử dụng các giải pháp FSO. Tóm lại, các giải pháp FSO cho phép loại
bỏ:
− Tắc nghẽn về 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. Các hệ thống FSO thƣờng đƣợc lắp đặt càng cao càng tốt để các
phƣơng tiện giao thông qua lại không làm ảnh hƣởng tới búp sóng quang. Một con


11
chim có thể làm gián đoạn việc truyền thông tin, nhƣng điều đó chỉ xảy ra trong chốc
lát và hệ thống sẽ nhanh chóng phục hồi. Trong khi đó, việc thu trộm thông tin đòi hỏi
phải đặt thiết bị trên đƣờng đi của búp sóng trong khoảng thời gian dài.
Phải thừa nhận rằng việc đặt thiết bị thu trộm thông tin giữa hai khối FSO là rất
khó khăn do kích thƣớc búp quang rất hẹp, khó xác định đƣợc vị trí búp, búp lại
thƣờng đƣợc đặt ở rất cao và không gần bất cứ thứ gì. Việc phát hiện thiết bị thu trộm
là hoàn toàn có khả năng thực hiện đƣợc do búp quang trong tầm nhìn thẳng, có thể
sử dụng các máy quay phim để giám sát việc lắp đặt thiết bị thu trộm và đƣờng truyền
của búp sóng quang để phát hiện bất cứ hoạt động khả nghi nào.

FSO là một công nghệ quang có thể kết nối bất cứ điểm nào trong mạng. FSO,
với khả năng của nó để trở thành lớp một và giao thức trong suốt, có thể tích hợp và
tổ chức liên kết với rất nhiều các phần tử mạng và giao diện. Điều này cho phép nó
trở thành một phần của họ các mạng quang. Một vài ứng dụng phổ biến đƣợc sử dụng
trong hệ thống FSO là:
Mở rộng mạng đô thị: hệ thống FSO có thế đƣợc triển khai để mở rộng mạng
vòng đô thị đã có sẵn hay kết nối tới các mạng khác.
Khả năng kết nối doanh nghiệp: các kết nối LAN - LAN, mạng lƣu trữ SAN
(storage area network),…
Kết nối dặm cuối (last - mile): đây là các đƣờng truyền mà có thể tiếp cận
ngƣời sử dụng đầu cuối. Chúng có thể đƣợc triển khai điểm – điểm, điểm – đa điểm
hay các kết nối hình lƣới.
Bổ sung cho cáp sợi quang: FSO cũng có thể đƣợc triển khai nhƣ đƣờng truyền
dƣ để khôi phục cáp sợi.
Truy nhập: FSO có thế đƣợc triển khai trong các ứng dụng truy nhập nhƣ truy
nhập Gigabit Ethernet. Các nhà cung cấp dịch vụ có thể sử dụng FSO để xác định các
hệ thống vòng lặp cục bộ và để cung cấp các đƣờng truyền dựa trên FSO tới các
doanh nghiệp.


12
Các công nghệ DWDM: với sự kết hợp của WDM và các hệ thống FSO, những
ngƣời sử dụng độc lập hƣớng tới xây dựng các vòng cáp sợi cho riêng họ, nhƣng có
thể sở hữu một phần của mạng vòng.
Truyền thông mạng tế bào: có thể đƣợc sử dụng để vận tải lƣu lƣợng giữa các
trạm gốc và các trung tâm chuyển mạch trong các mạng 3G/4G, cũng nhƣ việc vận
chuyển tín hiệu đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) từ các ô macro tới ô micro
và tới các trạm gốc.
Tóm lại, về mặt công nghệ, ứng dụng ít thách thức nhất là sử dụng FSO làm
đƣờng truyền số liệu kết nối các tòa nhà đô thị (kết nối giữa các mạng LAN). Trong

ứng dụng này, cự ly tuyến FSO từ vài trăm mét cho tới vài km, việc triển khai FSO
đơn giản và tốn ít chi phí lắp đặt hơn bất kỳ loại cáp nào. FSO có thể sử dụng làm
đƣờng truyền dẫn tốc độ cao nối ngƣời dùng Internet với nhà cung cấp hoặc các mạng
khác. Nó cũng có thể đƣợc sử dụng làm hệ thống mạng vòng đô thị để cung cấp các
kết nối tốc độ cao cho các doanh nghiệp. FSO có thể đƣợc dùng để mang lƣu lƣợng
của mạng di động từ antenna tới các thiết bị khác của mạng. FSO thậm chí có thể
dùng để truyền số liệu giữa một tàu vũ trụ ở xa và một trạm ở gần trái đất.

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

Hình 1.3: Mô hình hệ thống FSO


13

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.

•

Bộ phát laser

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) có nghĩa là
khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích. Ngày nay, bộ phát laser trở thành một
phần tử thiết yếu trong hệ thống viễn thông, nó đóng vai trò là bộ phát chính trong hệ
thống thông tin quang nói chung và đƣợc ứng dụng trong thông tin quang trong không
gian tự do đƣợc xét đến trong đề tài này.
Ban đầu bộ phát laser đƣợc phỏng theo Master, một thiết bị có cơ chế tƣơng tự
nhƣng tạo ra tia vi sóng hơn là các bức xạ ánh sáng. Master đầu tiên không có khả
năng phát ra các chùm bức xạ liên tiếp và ngƣời tìm ra giải pháp khắc phục vấn đề
này là các nhà khoa học Nga, Nikolai Basov và Aleksandr Prokhorov. Năm 1964 hai
nhà khoa học này vinh dự nhận giải Nobel vật lý cùng với tiến sỹ Townes.
Laser hồng ngọc, một laser chất rắn, đƣợc tạo ra lần đầu tiên vào năm 1960,
bởi nhà vật lý Theodore Maiman tại phòng thí nghiệm Hughes ở Malibu, California.
Hồng ngọc là oxit nhôm pha lẫn crôm. Crôm hấp thụ ánh sáng màu xanh lá cây và
xanh lục, để lại duy nhất tia sáng màu hồng phát ra.


14
Cấu trúc cơ bản của Laser gồm nhiều lớp bán dẫn không đồng nhất để tạo
thành cấu trúc dị thể kép và đƣợc cấu tạo dƣới dạng khoang cộng hƣởng Fabry-Perot.
Khoang cộng hƣởng là một hình hộp chữ nhật sáu mặt có khả năng giam hãm photon
và các hạt tải điện. Khoang cộng hƣởng có kích thƣớc rất nhỏ, dài từ 250 đến 500 µm,
rộng từ 5 đến 15 µm và dày từ 0,1 đến 0,2 µm.
Hai tiếp giáp dị thể kép nằm phía dƣới và phía trên lớp hoạt tính và chiết suất
của hai lớp hạn chế nhỏ hơn chiết suất lớp hoạt tính đã tạo ra khả năng giam hãm
photon và hạt tải điện theo chiều ngang.
Nguyên lý cấu tạo chung của một bộ phát laser gồm có: buồng cộng 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 1.4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Laser


15
Ngoài ra, việc tạo tín hiệu phát cũng đƣợc thực hiện bởi các loại nguồn khác
nhau đƣợc mô tả trong bảng 1.2.
Bảng 1.2: Các loại nguồn quang
Bƣớc sóng

~850

Loại

Ghi chú

Phát xạ mặt khoang cộng

Rẻ và có tính khả dụng

hƣởng dọc

Không có hoạt động làm mát, mật độ công suất
thấp, tốc độ lên tới ~10Gbps
Thời gian sống lâu
Tiêu chuẩn an toàn cho mắt thấp hơn

~1300/~1550

Fabry–Perot

Mật độ công suất cao hơn 50 lần (100nW/cm2)

Phân phối – phát phản xạ
Tƣơng thích với EDFA
Tốc độ cao, lên tới 40Gbps
Độ dốc hiệu quả 0,03-0,2 W/A
Đắt tiền và tƣơng đối mới
Rất nhanh và độ nhạy cao
Thác lƣợng tử

~10000

Truyền dẫn trong sƣơng mù tốt hơn
Thành phần chế tạo không có sẵn
Không thâm nhập qua thủy tinh
Rẻ hơn

Gần hồng ngoại

LED

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

Trong dải bƣớc sóng 700 – 10.000 nm có một số cửa sổ truyền hầu nhƣ trong
suốt với suy hao < 0,2 dB/km. Các hệ thống FSO chủ yếu đƣợc thiết kế để hoạt động
trong dải 780-850 nm và 1520 – 1600 nm. Dải 780 – 850 nm hầu nhƣ đƣợc sử dụng
rộng rãi bởi vì thiết bị và thành phần trong dải bƣớc sóng này có sẵn và chi phí thấp.
Dải 1550 nm đƣợc quan tâm vì một số lý do sau:
a) khả năng tƣơng thích với các mạng ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng cửa
sổ thứ 3.
b) bảo vệ mắt (công suất phát tại bƣớc sóng 1550 nm có thể gấp 50 lần so với
tại 850 nm).
c) giảm đƣợc năng lƣợng mặt trời và tán xạ ánh sáng trong mây mù/sƣơng mù.
Vì vậy, ở dải 1550 nm có thể truyền đƣợc một công suất đáng kể vƣợt qua việc suy