Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu việt nam

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
HỮU NGHỊ VIỆT-HÀN
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI

HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG KHÔNG DÂY VÀ
VẤN ĐỀ THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN, TỐI ƯU TUYẾN
TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM

SVTH

: Hồ Thị Kim Tiến

Lớp

: CCVT06B

Niên khóa : 2013 - 2016
CBHD

: ThS. Dương Hữu Ái


Đà Nẵng, tháng 6 năm 2016


LỜI CẢM ƠN

Trải qua 3 năm học- một chặng đường nhiều thử thách, khó khăn nhưng cũng đạt
được không ít thành công đối với bản thân em. Trong khoảng thời gian hoàn hành đồ
án tốt nghiệp có nhiều lúc em thấy rất áp lực, nhưng nhờ sự giúp đỡ của bạn bè, sự
hướng dẫn tận tình của thầy cô đã giúp em rất nhiều trong quá trình thực hiện đồ án
này. Đây sẽ là cơ hội để em gửi lời cảm ơn đến mọi người.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS. Dương Hữu Ái, giảng viên khoa
Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông, trường Cao Đẳng CNTT Hữu Nghị Việt – Hàn, đã
tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đồ án.
Em cũng xin chân thành cảm ơn nhà trường, thầy cô giáo trường Cao Đẳng
CNTT Hữu Nghị Việt – Hàn nói chung, các thầy cô trong khoa Điện Tử - Viễn Thông
nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên
ngành, giúp em có được kiến thức, cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ
em trong suốt quá trình học tập.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn tạo điều kiện,
quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập cũng như hoàn thành đồ
án tốt nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn!
Đà Nẵng, tháng 5 năm 2016
Sinh viên

Hồ Thị Kim Tiến

i


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN...............................................................................................................i
MỤC LỤC.................................................................................................................... ii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.......................................................................................v
DANH MỤC BẢNG...................................................................................................vi

DANH MỤC HÌNH...................................................................................................vii
PHẦN MỞ ĐẦU..........................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG
KHÔNG DÂY (Free Space Optics - FSO).................................................................4
1.1. Giới thiệu về hệ thống truyền thông quang FSO..........................................................4
1.1.1 Khái niệm về FSO.....................................................................................................4
1.1.2 Lịch sử phát triển......................................................................................................5
1.1.3Ưu, nhược điểm của FSO.........................................................................................6
1.2Các kiến trúc mạng được dùng trong FSO mặt đất.......................................................9
1.2.1 Kiến trúc mạng lưới..................................................................................................9
1.2.2 Kiến Trúc Mạng Điểm – Đa Điểm.........................................................................10
1.2.3Kiến Trúc Mạng Nhiều Tuyến Điểm – Điểm..........................................................11
1.2.4Kiến Trúc Mạng Vòng.............................................................................................11
1.3 Mô hình hệ thống FSO.....................................................................................................11
1.3.1. Bộ phát...................................................................................................................12
1.3.2 Kênh truyền.............................................................................................................12
1.3.3 Bộ thu......................................................................................................................13
1.4. Kết luận.............................................................................................................................13

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ ỨNG DỤNG TIÊU BIỂU CỦA HỆ THỐNG FSO..........14
2.1 Ứng dụng trong thông tin mặt đất.................................................................................14
2.1.1 Kết nối tốc độ cao giữa các tòa nhà.......................................................................14
2.1.2 Ứng dụng trong mạng truy nhập đầu cuối............................................................15
2.1.3 Ứng dụng trong trao đổi thông tin cá nhân..........................................................17
2.2 Ứng dụng trong thông tin vệ tinh...................................................................................17
2.2.1 Phục vụ các hoạt động của con người trong không gian.....................................18
2.2.2 Truyền dữ liệu từ những vệ tinh quan sát.............................................................19
2.2.3 Trao đổi thông tin giữa tàu vũ trụ và các vệ tinh..................................................19

CHƯƠNG 3: CÁC VẤN ĐỀ TRONG VIỆC THIẾT KẾ TUYẾN QUANG

KHÔNG DÂY............................................................................................................20
3.1 Giới thiệu chương.............................................................................................................20
ii


3.2 Đặc điểm, yêu cầu của bộ phát........................................................................................20
3.3.1Nguồn phát...............................................................................................................20
3.3.2Bộ khuếch đại..........................................................................................................23
3.3 Đặc điểm, yêu cầu của bộ thu..........................................................................................23
3.3.1 Bộ tách sóng các bước sóng ngắn (hồng ngoại 1330nm).....................................23
3.3.2 Bộ tách sóng các bước sóng dài (hồng ngoại 1550nm)........................................24
3.4 Đặc điểm kênh truyền trong hệ thống FSO..................................................................25
3.4.1. Các loại suy hao trong môi trường truyền dẫn FSO............................................25
3.4.2 Ảnh hưởng của sự thay đổi không khí đến chất lượng tín hiệu..........................27
3.5 Yếu tố ảnh hưởng, đánh giá, nâng cao chất lượng tuyến quang không dây............28
3.5.1 Tham số ảnh hưởng đến chất lượng của tuyến....................................................28
3.5.1.1 Phương trình truyền của tuyến.........................................................................28
3.5.1.2 Độ suy giảm của không khí...............................................................................30
3.5.2 Tham số đánh giá chất lượng của tuyến...............................................................32
3.5.2.1 Khả năng sử dụng tuyến...................................................................................32
3.5.2.2 Tỉ lệ lỗi bit BER và tốc độ dữ liệu trên khoảng cách truyền............................33
3.5.3 Tham số nâng cao chất lượng của tuyến...............................................................34
3.6 Lựa chọn tần số.................................................................................................................36
3.6.1 Ảnh hưởng của sự suy giảm không khí tới bước sóng.........................................36
3.6.2 Thiết bị thu, phát.....................................................................................................38
3.6.3 Sự an toàn với mắt người.......................................................................................38
3.7 Kết luận chương................................................................................................................39

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ TỐI ƯU TUYẾN THÔNG TIN
QUANG KHÔNG DÂY TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM................40

4.1 Giới thiệu chương.............................................................................................................40
4.2 Đánh giá điều kiện thời tiết Việt Nam và tính toán suy hao thực tế có thể có đối với
đường truyền FSO tại Việt Nam...........................................................................................40
4.2.1 Khí hậu Việt Nam...................................................................................................40
4.2.2 Tính toán độ suy hao tuyến FSO thực tế có thể có tại Việt Nam..........................42
4.2.3 Tính toán độ dự trữ công suất và BER tuyến FSO...............................................44
4.3 Thiết kế, tính toán và tối ưu tuyến FSO........................................................................45
4.3.1 Lưu đồ thuật toán, chương trình và kết quả tính toán bằng Matlab...................45
4.3.2 Mô phỏng tuyến FSO 1km bằng phần mềm Optisystem 7.0.................................51

KẾT LUẬN................................................................................................................56
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................57
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN............................................................viii
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN.................................................................ix
iii


iv


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Viết tắt
APD (Si-

Thuật ngữ tiếng anh
Silicon Avalanche Photodiode

Nghĩa tiếng việt

APD)

EDFA
FSO

Erbium Doped Fiber Amplifier
Free-space optical communication

FTTH
IM
InGaA
LOS

Fibre to the home
Intensity Modulation
Indium gallium arsenide
Light Of Sight

Internet cáp quang
Điều chế cường độ

Lazer Diode

Diot Laze

Non-return to zero
On-Off Keying
Semiconductor optical amplifiers

Không trở về không
Khóa đóng mở
Bộ khuếch đại bán dẫn

LD
NRZ
OOK
SOA

Thông tin quang không dây

Truyền dẫn thẳng

quang
Si-PIN

Silicon PIN P-type, Intrinsic, Ntype

SNR
UWB
VCSELs

Signal to noise ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

Ultra wide band
vertical-cavity surface-emitting

Băng siêu rộng
Laser phát xạ mặt với bộ

laser

cộng hưởng thẳng đứng

v


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1 Phân loại độ an toàn laser của bộ phát nguồn.........................................20
Bảng 3.2 bán kính của hạt tán xạ trong không khí và tham số kích thước tương
ứng của bước sóng laser 785 nm và 1550 nm...........................................................31

vi


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Hệ thống truyền thông quang không dây...................................................4
Hình 1.2 Chương trình MLCD của NASA.................................................................6
Hình 1.3 Những thách thức đối với FSO....................................................................8
Hình 1.4 Kiến trúc mạng lưới...................................................................................10
Hình 1.5 Kiến trúc mạng điểm- đa điểm..................................................................10
Hình 1.6 Kiến trúc điểm- điểm..................................................................................11
Hình 1.7 Kiến trúc mạng vòng..................................................................................11
Hình 1.8 Sơ đồ khối của hệ thống truyền thống truyền thông quang không dây. 12
Hình 2.1 Kết nối tốc độ cao giữa các tòa nhà...........................................................15
Hình 2.2 FSO ứng dụng trong mạng truy nhập đầu cuối.......................................16
Hình 2.3 FSO trong thông tin vệ tinh.......................................................................18
Hình 2.4 Truyền dẫn quang không dây từ vệ tinh tới trạm mặt đất......................19
Hình 3.1 Dòng laser, điện áp thuần và công suất quang đầu ra.............................21
Hình 3.2 Điều chế IM ở hai nhiệt độ khác nhau......................................................22
Hình 3.3 Cấu tạo Laser VCSEL................................................................................22

Hình 3.4 Mô hình một bộ thu phát Laser dùng trong hệ thống FSO.....................25
Hình 3.5 Ảnh hưởng của môi trường đến tuyến FSO.............................................26
Hình 3.6 Vệt đốm và kích thước trung bình miệng thu..........................................28
Hình 3.7 Công suất thu phụ thuộc vào tích hệ số suy giảm và khoảng cách.........30
Hình 3.8 Tham số kích thước hạt tán xạ..................................................................32
Hình 3.9 Ảnh hưởng của sương mù, bão tuyết........................................................33
Hình 3.10 Hệ số BER trên khoảng cách ở 1,25Gb/s................................................34
Hình 3.11 Tốc độ dữ liệu trên khoảng cách..............................................................34
Hình 3.12: Hàm thời gian sống của diode giảm theo chiều tăng nhiệt độ..............35
Hình 3.13: Thời gian sống tỉ lệ nghịch với công suất ra của laser..........................36
Hình 3.14 Sự phụ thuộc truyền bước sóng vào những điều kiện không khí, được
đo ở khoảng cách 1km, tầm nhìn là 200m................................................................37
Hình 4.1 Mô tả ngày sương mù bình quân tại các tỉnh thành trên cả nước..........42
(nguồn từ Trung Tâm Khí Tượng Thủy Văn Quốc Gia ).......................................42
..................................................................................................................................... 51
Hình 4.2 BER thay đổi theo công suất......................................................................51
vii


phát ở 1550nm và tốc độ 1.25Gbps...........................................................................51
Hình 4.3 Preceive thay đổi theo BER......................................................................51
bước sóng 1550nm và tốc độ 1,25Gbps...................................................................51
Hình 4.4 Mô hình tuyến FSO 1km tại Việt Nam.....................................................53
Hình 4.5 Giản đồ mắt và min BER channel 7..........................................................54
Hình 4.6 Giản đồ mắt và channel kênh 3.................................................................54

viii


Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu

Việt Nam

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, sự gia tăng không ngừng của lưu lượng Internet và sự phát triển nhanh
chóng của các công nghệ quang đã tạo nên những bước chuyển biến mới mẻ trong
kiến trúc mạng viễn thông. Các hệ thống truyền thông quang sử dụng sợi quang hiện
nay có khả năng truyền tải với dung lượng lớn, kết nối nhiều người dùng và cung cấp
nhiều loại dịch vụ như thoại, fax, hình ảnh, số liệu.
Cùng có khả năng truyền dẫn tốc độ cao, nhưng các hệ thống truyền thông quang
không dây (Free Space Optics- FSO) lại dễ dàng lắp đặt, di chuyển hoặc thiết lập lại
cấu hình mạng khi cần. FSO là công nghệ viễn thông sử dụng sự truyền lan ánh sáng
trong không gian để truyền tín hiệu giữa hai điểm, trong đó tín hiệu quang, thay vì
truyền trong sợi quang, sẽ được phát đi trong một búp sóng quang qua không gian.
FSO có độ an toàn cao vì sử dụng thông tin tầm nhìn thẳng LOS (line-of-sight) và tính
hướng của búp sóng quang cao. Tương lai ngày càng đòi hỏi phải có các giải pháp
truyền dẫn tốc độ cao để đáp ứng yêu cầu của các doanh nghiêp, tổ chức và cá nhân.
Truyền thông quang không dây (FSO) là một công nghệ rất hứa hẹn đang ngày
càng nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. Dung lượng của hệ thống FSO
tương đương với dung lượng của thông tin cáp quang, tuy nhiên giá thành để triển khai
lại chỉ bằng một phần nhỏ so với FTTH. Thêm vào đó, hệ thống FSO có thể nhanh
chóng được triển khai sử dụng và tái sử dụng. Tuy nhiên, hầu như chưa có nhiều
nghiên cứu tại Việt Nam về công nghệ truyền thông quang không dây này. Đặc biệt là
xu hướng chung của thế giới đã và đang chuyển sang nghiên cứu đến các hệ thống
FSO.
Vì vậy em xin chọn đề tài: “Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề
thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam”.
Nội dung đồ án được chia thành 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền thông quang không dây FSO (Free
Space Optics - FSO)

Chương 2: Một số ứng dụng tiêu biểu của hệ thống FSO
Chương 3: Các vấn đề trong việc thiết kế tuyến quang không dây
Chương 4: Thiết kế, tính toán và tối ưu tuyến thông tin quang không dây trong
điều kiện khí hậu Việt Nam.
SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B
1


Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu
Việt Nam

2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
- Tìm hiểu hệ thống truyền thông quang không dây (Free Space Optics- FSO)
và các ưu, nhươc điểm và các phương pháp khăc phục.
- Tìm hiểu các bộ phận, yếu tố và các vấn đề trong việc xây dựng một hệ thống
thông tin quang không dây.
-

Phân tích các yếu tố khí hậu, môi trường của Việt Nam. Tính toán và áp dụng

lý thuyết để mô phỏng thiết kế,tối ưu hệ thống FSO tại Việt Nam.
- Vận dụng kiến thức lý thuyết và nêu được ứng dụng của FSO vào thực tiễn.
- Rèn luyện kỹ năng làm việc độc lập.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
- Nghiên cứu, tìm hiểu tổng quan hệ thống truyền thông quang không dây.
- Các vấn đề trong việc thiết kế một hệ thống quang không dây.
- Khí hậu, điều kiện thời tiết tại Việt Nam để thực hiện mô phỏng tuyến FSO.
4. Phương pháp nghiên cứu
- thu thập dữ liệu, tìm hiểu qua các phương tiện truyền thông (sách báo,
internet…) các tài liệu có liên quan để thuận tiện trong việc nghiên cứu và thực hiện

đồ án.
- Tham khảo ý kiến các ý đóng góp, tiếp thu các hướng dẫn và gợi ý của giảng
viên hướng dẫn đồ án tốt nghiệp.
5. Dự kiến kết quả
- Nắm vững các kiến thức công nghệ mới FSO, các thuật ngữ chuyên nghành
thông qua sự hướng dẫn của giảng viên hướng dẫn.
- Thiết kế mô phỏng hệ thống FSO tại Việt Nam trên phần mềm Optisystem
- Nêu ra được các ứng dụng của công nghệ truyền thông qua FSO
- Một số nội dung khác phát sinh trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp và các
thông tin cập nhật.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Truyền thông quang không dây (FSO) là một công nghệ rất hứa hẹn đang ngày
càng nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. Dung lượng của hệ thống FSO
tương đương với dung lượng của thông tin cáp quang, tuy nhiên giá thành để triển khai
lại chỉ bằng một phần nhỏ so với FTTH. Thêm vào đó, hệ thống FSO có thể nhanh
chóng được triển khai sử dụng và tái sử dụng.
SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B
2


Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu
Việt Nam

Tuy nhiên, hầu như chưa có nhiều nghiên cứu tại Việt Nam về công nghệ truyền
thông quang không dây này. Đặc biệt là xu hướng chung của thế giới đã và đang
chuyển sang nghiên cứu đến các hệ thống FSO. Hy vọng đồ án sẽ là bước đệm cho các
sinh viên khóa sau tìm hiểu và nghiên cứu sâu hơn về công nghệ mới này.

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B
3

Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu
Việt Nam

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG
QUANG KHÔNG DÂY (Free Space Optics - FSO)
Chương 1 sẽ trình bày những định nghĩa khái niệm cơ bản nhất về công nghệ
FSO và lịch sử phát triển, nhằm mục đích cung cấp cho người đọc cái nhìn tổng thể và
trực quan nhất về công nghệ còn khá mới mẻ này tại Việt Nam.
1.1. Giới thiệu về hệ thống truyền thông quang FSO
1.1.1 Khái niệm về FSO
Về cơ bản, FSO là công nghệ truyền thông tin, dữ liệu giữa 2 điểm sử dụng bức
xạ quang như là tín hiệu mang tin và được truyền qua các kênh truyền tự do. Dữ liệu
cần truyền được điều chế vào cường độ, pha, hoặc tần số của bức xạ quang mang tin.
Một đường truyền dẫn FSO về cơ bản là đường truyền dẫn thẳng (Light Of SightLOS), vì vậy để đảm bảo trao đổi thông tin thành công, yêu cầu máy thu và máy phát
phải có thể “nhìn” thấy nhau một cách trực tiếp mà không có bất kỳ một chướng ngại
vật nào trên đường truyền. Kênh truyền tự do có thể là trong không gian vũ trụ giữa
các vệ tinh, dưới nước, trong khí quyển hoặc là sự kết hợp của các loại môi trường trên
trong cùng một tuyến thông tin.
Truyền thông FSO qua khoảng cách một vài kilomet có thể đạt tới tốc độ dữ
liệu hàng Gbps. Công nghệ FSO cung cấp tiềm năng về dung lượng băng thông truyền
thông sử dụng các bước sóng quang không cần cấp phép.

Hình 1.1 Hệ thống truyền thông quang không dây

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B
4

Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu
Việt Nam

1.1.2 Lịch sử phát triển
Thông tin quang trong môi trường tự do (FSO) là một công nghệ đã có từ lâu
đời sử dụng sự truyền lan ánh sáng trong không gian để truyền tín hiệu giữa hai điểm.
Truyền thông tin quang trong môi trường tự do được đặt nền móng lần đầu tiên
là bởi thí nghiệm Photophone thực hiện bởi Alexander Graham Bell vào năm 1880.
Trong thí nghiệm của mình, Bell đã điều chế bức xạ của mặt trời với tín hiệu âm thanh
và truyền đi qua khoảng cách khoảng 200 m. Máy thu được làm từ một chiếc gương
parabol với một tế bào Selen đặt tại tiêu điểm. Tuy nhiên, thí nghiệm cho kết quả
không thực sự tốt do thiết bị sử dụng thô sơ và sự gián đoạn tự nhiên của bức xạ mặt
trời.
Cột mốc quan trọng đánh dấu sự phát triển của công nghê FSO đó là sự tìm ra
các nguồn quang, mà quan trọng nhất là laser vào những năm 1960. Hàng loạt các
nghiên cứu về FSO đã được thực hiện từ những năm đầu 60 đến những năm 70, ví dụ
như: truyền phổ của tín hiệu truyền hình qua khoảng cách 48 km sử sụng diode phát
quang GaA được thực thi bởi cách nhà khoa học của học viện MIT năm 1962; tháng 5
năm 1963, tín hiệu âm thanh được điều chế với laser He-NE đã đươc truyền qua
190km giữa 2 ngọn núi Panamint Ridge và San Gabriel tại Mỹ; truyền dẫn Laser trong
không gian được sử dụng với mục đích thương mại lần đầu tiên được xây dựng ở Nhật
Bản bởi công ty điện tử Nippon vào năm 1970 - là đường truyễn dẫn song công, sử
dụng Laser He-Ne bước sóng 0.6328 μm, truyền thông tin giữa Yokohama và
Tamagawa với khoảng cách 14km.
Từ quãng thời gian này trở đi, công nghệ FSO tiếp tục được nghiên cứu và thử
nghiệm mạnh mẽ, đặc biệt là trong thông tin quân sự. FSO cũng đã và đang được
nghiên cứu để sử dụng cho truyền thông trong vũ trụ bởi NASA và ESA với các
chương trình như là the Mars Laser Communication Demonstration (MLCD) và the
Semiconductor-laser Inter-satellite Link Experiment (SILEX).
Trong vòng vài thập kỷ vừa qua, công nghệ FSO đã được nghiên cứu và chứng

minh một cách thành công là có thể được sử dụng trong truyền thông vũ trụ giữa các
vệ tinh với tốc độ dữ liệu có thể lên tới 10 Gbps. Mặc dù những kiến thức về các kỹ
thuật cần thiết để xây dựng một hệ thống thông tin FSO đã được nghiên cứu bởi nhiều
nhà khoa học khác nhau trong nhiều năm liền.
Tuy nhiên hệ thống thông tin FSO cho đến nay đây vẫn còn chưa được áp dụng
SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B
5


Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu
Việt Nam

phổ biến bởi nhiều nguyên nhân khác nhau:
-

Các hệ thống thông tin liên lạc đang tồn tại đã đủ để giải quyết các nhu cầu
thông tin hiện thời.

-

Những nghiên cứu và phát triển đáng kể của công nghệ FSO cần phải được cải
thiện độ tin cậy của các khối để đảm bảo độ tin cậy của toàn hệ thống.

-

Một hệ thống trong không gian luôn chịu ảnh hưởng bởi sự gián đoạn khi có
mặt sương mù dày đặc.

-

Ngay cả khi sự ảnh hưởng của khí quyển có thể được bỏ qua, thì hệ thống FSO
luôn yêu cầu phát hướng điểm chính xác và bộ phận đeo bám nhạy-là những
điều vẫn chưa được giải quyết triệt để cho đến tận bây giờ.
Tất cả những lý do đó giải thích tại sao cho đến tận bây giờ, công nghệ FSO

vẫn chưa được sử dụng rộng dãi trong các mạng truy nhập.

Hình 1.2 Chương trình MLCD của NASA
1.1.3 Ưu, nhược điểm của FSO
 Ưu điểm:
- Băng thông rất lớn: trong bất cứ hệ thống thông tin nào, lượng dữ liệu, thông tin
được truyền đi có liên hệ trực tiếp với băng thông của tín hiệu mang tin điều chế.
Lượng băng thông cho phép có thể đạt tới 20% của tần số tín hiệu mang. Sử dụng tín
hiệu mang là bức xạ quang với khoảng tần số từ 1012-1016 Hz có thể cho băng thông
lên tới 2000 Thz. Vì thế mà so với những hệ thống thông tin vô tuyến, thông tin quang
đảm bảo lưu lượng thông tin lớn hơn rất nhiều bởi vì tần số của tín hiệu mang tin là
bức xạ quang lớn hơn rất nhiều so với tần số sóng mang vô tuyến.
- Bán kính tia nhỏ: Bức xạ quang có bán kính tia cực kỳ hẹp, có nghĩa là công
SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B
6


Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu
Việt Nam

suất phát chỉ phải tập trung trong một diện tích rất là hẹp. Điều này cho phép một
đường truyền FSO có sự cách ly không gian đủ để tránh nhiễu từ cách đường truyền
FSO khác. Sự chiếm dụng về không gian rất hẹp cũng cho phép các tia laser hoạt động
gần như độc lập với nhau, vì thế nên khả năng sử dụng lại tần số gần như là vô hạn
trong nhiều môi trường khác nhau. Tuy nhiên, sự hẹp của bức xạ quang cũng đồng

nghĩa với yêu cầu về đồng bộ thu phát rất cao.
- Phổ tần sử dụng không cần cấp phép: Trong thông tin vô tuyến, các sóng mang
có tần số gần nhau gây nhiễu lên nhau chính là vấn đề lớn nhất của thông tin vô tuyến.
Để giảm thiểu vấn đề này, các tổ chức quản lý tài nguyên tần số được thành lập để
quản lý việc cấp phát và sử dụng tần số của các cá nhân, tổ chức. Vì thế để được cấp
phát một dải tần để sử dụng cần phải tốn rất nhiều chi phí và thời gian. Hiện tại thì các
tần số quang không phải chịu sự quản lý này do các tín hiệu mạng là bức xạ quang hầu
như không gây nhiễu lên nhau ngay cả khi hai đường truyền quang có cùng tần số đặt
cạnh nhau.
- Rẻ: Giá thành để triển khai một hệ thống thông tin FSO rẻ hơn rất nhiều so với
một hệ thống thông tin vô tuyến thông thường khi có tốc độ dữ liệu tương đương nhau.
Điều này là do FSO không yêu cầu phí cấp phát dải tần sử dụng và các thành phần
trong đường truyền FSO cũng rẻ hơn nhiều. Theo một nghiên cứu gần đây của Canada,
giá của 1 Mbps trên một tháng của một hệ thống FSO rẻ bằng một nửa của hệ thống vô
tuyến thông thường.
- Nhanh chóng và dễ dàng triển khai cũng như tái sử dụng: thời gian cần thiết để
triển khai một đường truyền FSO có thể chỉ vài giờ. Yêu cầu chính là việc thành lập
một đường truyền không bị cản trở về tầm nhìn giữa máy thu và máy phát. Đường
truyền FSO cũng có thể dễ dàng mang đi sử dụng ở khu vực các một cách nhanh
chóng và dễ dàng
- An toàn thông tin cao: Mặc dù FSO là công nghệ không dây nhưng nó không
phát quảng bá tới bất kỳ người nào và tất cả mọi người. 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 thường được lắp đặt càng
cao càng tốt để các phương tiện giao thông qua lại không làm ảnh hưởng tới búp sóng
quang. Một con chim có thể làm gián đoạn việc truyền thông tin, nhưng điều đó chỉ
xảy ra trong chốc lát và hệ thống sẽ nhanh chóng phục hồi. Trong khi đó, việc thu trộm
SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B
7

Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu
Việt Nam

thông tin đòi hỏi phải đặt thiết bị trên đường 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 thước búp quang rất hẹp, khó xác định được vị trí búp, búp lại
thường được 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 được 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 đường truyền
của búp sóng quang để phát hiện bất cứ hoạt động khả nghi nào.
 Nhược điểm:
Giới hạn cơ bản của FSO do môi trường truyền dẫn gây ra. Với FSO truyền
trong môi trường khí quyển thì sự hoạt động của hệ thống FSO phụ thuộc rất nhiều
vào thời tiết và điều kiện khí quyển. Sự không cố định về tính chất của kênh truyền
FSO là trở ngại lớn nhất trong việc triển khai một hệ thống FSO. Tuy nhiên điều này
không xảy ra chỉ với FSO, các đường truyền vô tuyến hay thông tin vệ tinh cũng bị
ảnh hưởng bởi thời tiết và có thể bị mất liên kết trong điều kiện mưa lớn hay tuyết.
Ngoài việc tuyết và mưa có thể làm cản trở đường truyền quang, FSO chịu ảnh hưởng
mạnh bởi sương mù và sự hỗn loạn của không khí. Những thách thức chính trong việc
thiết kế hệ thống FSO:

Hình 1.3 Những thách thức đối với FSO
-

Sự trôi búp

Sự trôi búp xảy ra khi luồng gió hỗn loạn (gió xoáy) lớn hơn đường kính của
búp sóng quang gây ra sự dịch chuyển chậm nhưng đáng kể của búp sóng quang. Sự

trôi búp cũng có thể là kết quả của các hoạt động địa chấn gây ra sự dịch chuyển tương
đối giữa vị trí của laser phát và bộ thu quang.
SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B
8


Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu
Việt Nam

- Giữ thẳng hướng phát-thu khi tòa nhà dao động
Giữ thẳng hướng giữa khối phát và khối thu là rất quan trọng nhằm đảm bảo sự
thành công của việc truyền tín hiệu. Đây thực sự là vấn đề phức tạp khi sử dụng búp
sóng hẹp phân tán góc và tầm nhìn (FOV). Sự dãn nhiệt của các phần khung tòa nhà
hoặc những trận động đất yếu có thể gây ra sự lệch hướng. Trong khi sự dãn nhiệt có
đặc tính chu kỳ theo ngày hoặc mùa thì động đất lại không thể dự đoán được. Một
nguyên nhân gây ra sự lệch hướng nữa là gió, đặc biệt khi các thiết bị thu phát được
đặt trên các tòa nhà cao. Sự dao động của tòa nhà là một quá trình ngẫu nhiên làm ảnh
hưởng đến hiệu năng của hệ thống và gây ra lỗi.
- Sự an toàn cho mắt
Với sự gia tăng của các hệ thống truyền thông quang vô tuyến sử dụng các búp
laser hướng về các vùng dân cư mật độ cao, sự an toàn cho mắt là vấn đề đáng được
quan tâm. Những hệ thống FSO này phải an toàn đối với mắt, có nghĩa là chúng phải
không gây nguy hiểm cho những người vô tình gặp phải các búp sóng quang. Yêu cầu
này rõ ràng sẽ tạo ra giới hạn trên cho cường độ búp sóng phát của laser. Khi thiết kế
các hệ thống thông tin quang, người thiết kế phải đảm bảo rằng các bức xạ quang phải
an toàn và không được gây ra bất cứ tác hại nào cho những người mà tiếp xúc với nó.
Các tia bức xạ quang có thể gây tổn thương cho cả da và mắt, tuy nhiên tác hại đối với
mắt là đáng ngại hơn cả bởi vì mắt có khả năng tập trung năng lượng quang. Mắt
người có thể tập trung ánh sáng trong dải từ 0.4-1.4 μm. Những dải bước sóng khác có
xu hướng bị hấp thụ bởi giác mạc của mắt trước khi năng lượng được tập trung.

1.2 Các kiến trúc mạng được dùng trong FSO mặt đất
Các hệ thống FSO có thể được thiết kế và làm việc trong bất kỳ cấu hình mạng
nào, bao gồm cấu hình lưới, điểm – điểm, điểm – đa điểm, vòng. Việc này giúp cho
các nhà cung cấp mạng khu vực đô thị dễ dàng xây dựng và mở rộng mạng tốc độ cao
tới các khách hàng.
1.2.1 Kiến trúc mạng lưới
Một mạng lưới bao gồm một chuỗi các nút mạng được kết nối với nhau với
mức độ dư thừa nhất định cho việc dự phòng. Trong những mạng kiểu này, mọi nút
mạng đều được kết nối với các nút khác một cách trực tiếp hoặc thông qua một số
chặng. Mức dư thừa trong mạng quyết định mức kết nối trong mạng. Do đó, số lượng
nút mạng càng nhiều thì mức dư thừa kết nối càng lớn, khả năng đảm bảo liên lạc càng
SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B
9


Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu
Việt Nam

cao. Kiến trúc mạng lưới có độ tin cậy cao, dễ thêm nút mạng nhưng bị giới hạn về
khoảng cách.

Hình 1.4 Kiến trúc mạng lưới
1.2.2 Kiến Trúc Mạng Điểm – Đa Điểm
Kiến trúc điểm – đa điểm cung cấp kết nối với chi phí rẻ hơn và thuận tiện cho
việc thêm nút mạng với chi phí về băng thông thấp hơn kiến trúc điểm – điểm.

Hình 1.5 Kiến trúc mạng điểm- đa điểm
Trong kiến trúc mạng điểm – đa điểm một nút mạng đóng vai trò như một nút
khởi đầu và nhiều tuyến quang vô tuyến được bắt nguồn từ nút này. Phương pháp hiệu
quả nhất là nối mỗi tuyến FSO tới một thiết bị lớp 2 hoặc lớp 3 đặt trong một phòng

của tòa nhà. Sau đó các tuyến này được nối bằng sợi quang tới bộ chuyển mạch hoặc
định tuyến đặt ở vị trí bất kỳ trong tòa nhà, có thể là tầng trên cùng hay ở một phòng
khác.

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B
10


Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu
Việt Nam

1.2.3 Kiến Trúc Mạng Nhiều Tuyến Điểm – Điểm

Hình 1.6 Kiến trúc điểm- điểm
Kiến trúc mạng nhiều tuyến điểm – điểm thích hợp cho những trường hợp cần
tạo ra một tuyến mở rộng vượt quá giới hạn cự ly hoặc bị bắt buộc phải rút ngắn cự ly
tuyến quang do vấn đề thời tiết. Đây là kiểu kết nối giành riêng với khả năng cung cấp
băng tần rộng hơn.
1.2.4 Kiến Trúc Mạng Vòng

Hình 1.7 Kiến trúc mạng vòng
Trong kiến trúc mạng vòng, các nút mạng nối với nhau thông qua các tuyến
quang vô tuyến tạo thành vòng khép kín và có thể phân nhánh thành các tuyến điểm –
điểm. Kiến trúc mạng vòng có độ tin cậy cao hơn kiến trúc điểm – điểm và điểm – đa
điểm. Đồng thời, nó lại không phức tạp như kiến trúc mạng lưới.
1.3 Mô hình hệ thống FSO
Cũng giống như bất kỳ một hệ thống thông tin nào khác, một hệ thống FSO
cũng bao gồm 3 thành phần cơ bản: máy phát, kênh truyền dẫn và máy thu.
SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B
11

Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu
Việt Nam

Các thành phần chính trong hệ thống truyền thông quang không dây được minh
họa như trong hình 1.8

Hình 1.8 Sơ đồ khối của hệ thống truyền thống truyền thông quang không dây
1.3.1. Bộ phát
Dữ liệu đầu vào phía nguồn được truyền tới một đích ở xa. Phía nguồn có cơ
chế điều chế sóng mang quang riêng, chẳng hạn như điều chế laser, tín hiệu quang sau
đó sẽ được truyền đi qua kênh khí quyển. Các tham số của hệ thống phát quang là kích
cỡ, công suất và chất lượng búp sóng, các tham số này xác định cường độ laser và góc
phân kỳ nhỏ nhất có thể đạt được từ hệ thống. Phương thức điều chế được sử dụng
rộng rãi tại bộ phát là điều chế cường độ (IM), trong đó cường độ phát xạ của nguồn
quang sẽ được điều chế bởi số liệu cần truyền đi.
1.3.2 Kênh truyền
Kênh truyền của một hệ thống FSO là kênh truyền tự do có thể trong môi
trường nước, không gian, khí quyển. Một kênh thông tin quang khác với kênh nhiễu
Gauss thông thường đó là trong kênh thông tin quang, tín hiệu truyền đi x(t) thể hiện
công suất chứ không phải biên độ. Điều này dẫn đến hai giới hạn về tín hiệu được
truyền:
- tín hiệu truyền đi phải không âm;
- giá trị trung bình của tín hiệu truyền đi không được vượt quá giá trị cực đại
của công suất phát.
SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B
12

Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu
Việt Nam

1.3.3 Bộ thu
Tại phía thu, trường quang được tập trung lại và được tách, cùng với sự xuất
hiện của xuyên nhiễu, méo tín hiệu, và bức xạ nền. Bên phía thu, các đặc tính quan
trọng là kích cỡ độ mở (aperture size) và số lượng photon, những đặc tính này xác định
lượng ánh sáng được tập trung và phạm vi tách trường quang của bộ tách quang.
1.4. Kết luận
Nội dung chương 1 đã giới thiệu khái quát về hệ thống truyền thông quang qua
không gian cũng như mô hình của hệ thống FSO. Tương lai ngày càng đòi hỏi phải có
các giải pháp truyền dẫn tốc độ cao để đáp ứng yêu cầu của các doanh nghiêp, 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
được sử dụng ngày càng nhiều trong tương lai.

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B
13


Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu
Việt Nam

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ ỨNG DỤNG TIÊU BIỂU CỦA HỆ
THỐNG FSO
2.1 Ứng dụng trong thông tin mặt đất
Công nghệ FSO có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, trong
các mạng truy nhập và các mạng đô thị (metro networks). Khoảng cách từ hầu hết
những người sử dụng đầu cuối đến các mạng xương sống là ngắn (chỉ vào khoảng 1
dặm trở lại) nên công nghệ FSO có thể là giải pháp lý tưởng cho vấn đề “nút thắt cổ

chai”, đóng vai trò như là cầu nối giữa mạng cáp quang xương sống và người sử dụng
đầu cuối. Dưới đây là một số lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu của FSO:
2.1.1 Kết nối tốc độ cao giữa các tòa nhà
Hiện nay, các doanh nghiệp đang gặp phải vấn đề quá tải lưu lượng 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 lưu lượng kết nối. Trong khi đó, các doanh nghiệp với yêu cầu số liệu lớn
mong muốn truyền dẫn dung lượng 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 trường cũng là các vấn đề trở ngại.
Để loại bỏ các vấn đề trở ngại trên và tăng lưu lượng kết nối, các doanh nghiệp
có các tòa nhà nằm trong tầm nhìn thẳng chuyển sang sử dụng các giải pháp FSO. Các
giải pháp FSO cho phép loại bỏ:
- Tắc nghẽn về lưu lượng.
- 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.

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B
14


Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu
Việt Nam

Hình 2.1 Kết nối tốc độ cao giữa các tòa nhà
Về mặt công nghệ, ứng dụng ít thách thức nhất là sử dụng FSO làm đường

truyền số liệu kết nối các tòa nhà đô thị (kết nối giữa các mạng LAN). Trong ứng dụng
này, cự ly tuyến FSO từ vài trăm mét cho tới vài km, việc triển khai FSO đơn giản và
tốn ít chi phí lắp đặt hơn bất kỳ loại cáp nào.
FSO có thể sử dụng làm đường truyền dẫn tốc độ cao nối người dùng Internet
với nhà cung cấp hoặc các mạng khác. Nó cũng có thể được sử dụng làm hệ thống
mạng vòng đô thị để cung cấp các kết nối tốc độ cao cho các doanh nghiệp. FSO có
thể được dùng để mang lưu lượng của mạng di động từ 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.
2.1.2 Ứng dụng trong mạng truy nhập đầu cuối
FSO là giải pháp lý tưởng đề làm cầu nối về băng thông giữa người dùng đầu
cuối và mạng xương sống. Thông tin cáp quang ở mạng xương sống có thể cung cấp
băng thông khổng lồ với tốc độ dữ liệu rất lớn.
Tuy nhiên băng thông khổng lồ của thông tin quang trong các mạng lõi lại
không thể được sử dụng hết bởi người sử dụng trong các mạng truy nhập. Lý do là vì
giới hạn băng thông của công nghệ truyền dẫn trên cáp đồng được sử dụng phổ biến để
kết nối giữa người sử dụng và mạng cáp quang xương sống. Điều này này dẫn đến
việc tốc độ dữ liệu mà người dùng có thể sử dụng bị hạn chế rất nhiều, vấn đề này
được gọi là “nghẽn cổ chai ở mạng truy nhập”. Đã có rất nhiều giải pháp được đưa ra
để giải quyết vấn đề này như: Internet cáp quang FTTH, công nghệ siêu băng rộng
không dây UBW, công nghệ thông tin quang tự do FSO…Và công nghệ FSO là giải
pháp hứa hẹn nhất bởi những ưu điểm như giá thành thiết kế, triển khai và sử dụng lại
thấp, băng thông lớn, phổ tần không cần cấp phép…
SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B
15