Đánh giá hiệu năng giải pháp backhaul di động ứng dụng công nghệ truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp (TWDMPON) và RoF (tt)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG

Nguyễn Đông Đức

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG GIẢI PHÁP BACKHAUL DI
ĐỘNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP
QUANG THỤ ĐỘNG THẾ HỆ KẾ TIẾP (TWDM-PON)
VÀ RoF

Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã số: 85.20.208

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2018


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

Người hướng dẫn khoa học: TS. Lê Hải Châu
Phản biện 1:……………………………………..
Phản biện 1:……………………………………..

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

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

1

MỞ ĐẦU
Ngày nay với việc phát triển bùng nổ của công nghệ thông tin và thông tin di
động, yêu cầu cải thiện về mặt công nghệ và băng thông của mạng backhaul di động ngày
càng lớn hơn, đặc biệt là khi các nhà mạng di động hiện nay đã và đang phát triển, thử
nghiệm 5G với tốc độ cực cao đồng thời ngày càng nhiều ứng dụng được triển khai trên
nền di động. Để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của công nghệ 5G, mạng backhaul di
động thế hệ kế tiếp cần có dung lượng lớn, có khả năng cung cấp băng thông linh hoạt,
cải thiện tầm với và có khả năng bảo mật cao. Do vậy, việc nghiên cứu, tìm hiểu và đánh
giá hiệu năng của các giải pháp mạng backhaul di động dung lượng lớn tương lai có khả
năng đáp ứng tốt nhu cầu của mạng 5G là rất quan trọng và cần thiết trong việc nắm bắt
và làm chủ các công nghệ mới trong tương lai gần.
Hiện tại, trong mạng lõi của hệ thống thông tin di động đã ứng dụng công nghệ
truy nhập quang thụ động GPON. Tuy nhiên, với công nghệ truy nhập này ở thế hệ kế
tiếp thứ 2, với tốc độ tối đa có thể lên đến 40 Gbps khi được áp dụng sẽ làm tăng tốc độ
và thỏa mãn được nhu cầu phát triển với tốc độ cao, băng thông rộng của công nghệ 5G.
Ngoài ra đối với mạng truy cập vô tuyến dùng công nghệ truyền sóng vô tuyến qua sợi
quang được đánh giá là có nhiều ưu điểm vượt trội so với mạng truy cập vô tuyến thông
thường. Trong thời gian gần đây, công nghệ truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp thứ
2 cũng được thử nghiệm thành công và sẽ sử dụng phổ biết trong tương lai. Do vậy, giải
pháp kết hợp hai công nghệ này hứa hẹn sẽ có khả năng đáp ứng được nhu cầu cấp thiết
của mạng backhaul di động trong tương lai.


2

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG BACKHAUL DI ĐỘNG
1.1.

Giới thiệu chung
Cho đến nay, các mạng di động đã trải qua 4 thế hệ với nhiều thay đổi trong công

nghệ và tính năng. Hình 1.1 thể hiện các thế hệ mạng di động cùng một số đặc điểm
chính của chúng. Vào đầu những năm 1980 mạng thông tin di động không dây cơ bản
đầu tiên trên thế giới xuất hiện và được gọi là mạng thông tin di động thế hệ thứ nhất
(1G), đây là hệ thống giao tiếp thông tin qua kết nối tín hiệu analog. Hệ thống này sử
dụng các ăng-ten thu phát sóng gắn ngoài, kết nối theo tín hiệu analog tới các trạm thu
phát sóng và nhận tín hiệu xử lý thoại thông qua các module gắn trong máy di động.
Chính vì thế mà các thế hệ máy di động đầu tiên trên thế giới có kích thước khá to và
cồng kềnh do tích hợp cùng lúc 2 module thu tín hiện và phát tín hiệu.

Hình 1.1: Mạng di động qua các thế hệ

Đầu năm 2017 cả ba nhà mạng lớn tại Việt Nam đã khai thác thành công mạng di
động thế hệ thứ 4. Đây chính là mạng thông tin di động 4G. Công nghệ này cho phép
truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 - 1,5 Gbit/s. Cách
đây không lâu thì một nhóm gồm 26 công ty trong đó có Vodafone (Anh), Siemens


3

(Đức), Alcatel (Pháp), NEC và DoCoMo (Nhật Bản), đã ký thỏa thuận cùng nhau phát
triển một tiêu chí cao cấp cho điện thoại di động, một thế hệ thứ 4 trong kết nối di động –
đó chính là nền tảng cho kết nối 4G. Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai của các
thiết bị không dây. Các nghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có
thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mbps khi di chuyển và tới 1 Gbps khi đứng yên, cũng
như cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên các hình ảnh, video clips chất lượng
cao. Hình 1.2 dưới đây dự đoán nhu cầu gia tăng dung lượng người dùng trên toàn cầu

đến năm 2019, qua hình dưới đây ta thấy dung lượng người dùng ngày càng tăng nhanh
và đến năm 2019 sẽ đạt mức gần 25 Exabytes/tháng.

Hình 1.2: Lƣu lƣợng di động toàn cầu

1.2.

Hệ thống backhaul di động
Mobile backhaul được xác định là các liên kết trung gian giữa mạng lõi hoặc mạng

xương sống với mạng ngoài. Mobile backhaul đối với mạng 2G là kết nối từ BTS về
BSC, các BTS với nhau và từ BSC về các phần tử của mạng lõi (MSC, HLR, IN...) và
được quy ước là tính từ giao diện Abis về phía mạng lõi. Trong mạng 3G là kết nối từ
NodeB về RNC, các NodeB với nhau và từ RNC về MSC và các phần tử mạng lõi, tính
từ giao diện Iub. Trong mạng 4G là kết nối từ EnodeB về MME, các EnodeB với nhau và


4

từ MME về các phần tử mạng lõi (MSC, HLR, SGSN...). Hình 1.3 dưới đây xác định vị
trí của mạng backhaul trong hệ thống thông tin di động.

Hình 1.3: Vị trí của mạng backhaul trong hệ thống thông tin di động
Trên thực tế, các hệ thống backhaul di động đã tiến hóa qua ba giai đoạn. Hình 1.4
thể hiện sự tiến hóa qua các giai đoạn của mạng backhaul di động, chi tiết như sau:


5

Hình 1.4: Mạng backhaul di động qua các giai đoạn phát triển

Hình 1.5: Thị phần các công nghệ trong mạng backhaul di động


6

Cáp đồng

Cáp quang

Sóng vô tuyến

Yêu cầu bắt

Không có

Cáp quang ngầm

Đăng ký tần số

buộc

yêu cầu

Thời gian triển

Trung bình

Rất nhanh

Ngắn

Giá thành

Rất rẻ

Rất cao

Cao

Khả năng sử

Không

Không

Có

Giới hạn

Không giới hạn

Cao nhưng giới hạn

khai

dụng lại thiết bị
Băng thông

Bảng 1.1: Bảng so sánh ƣu nhƣợc điểm của từng loại phƣơng tiện truyền dẫn trong

mạng backhaul
Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về dung lượng của các mạng di động, nhiều
công nghệ truyền tải tốc độ Gigabit đã được nghiên cứu và áp dụng cho các hệ thống
backhaul nổi bật lên là công nghệ dựa trên hệ thống sợi quang (WDM-PON), hệ thống
truyền ánh sáng qua không gian tự do (FSO) và hệ thống truyền sóng vô tuyến qua sợi
quang (RoF).

Hình 1.6: Dự đoán đầu tƣ nghiên cứu vào các công nghệ trong mạng Backhaul từ
2017 đến 2015


7

1.3.

Các yêu cầu của mạng backhaul

1.3.1. Tăng tốc độ cho đầu cuối

Hình 1.7: Sự phát triển dung lƣợng hệ thống backhaul di động

1.3.2. Tăng lƣu lƣợng
1.3.3. Các loại thiết bị, dịch vụ, kiến trúc mới
1.4.

Những thách thức của mạng backhaul 5G
Với các xu hướng và dịch vụ được liệt kê ở các mục trên, nhất là trên lý thuyết

chúng ta đã thấy được cả động lực và lợi ích của mạng 5G đem lại. Trong thực tế để đạt
được những mục đích này đòi hỏi phải thay đổi rất lớn trong các mạng di động và cơ sở

hạ tầng mạng được xây dựng phải đặc biệt chú trọng tới mạng không dây backhaul và lớp
truyền tải. Các xu hướng và dịch vụ được liệt kê ở trên minh họa cả động lực hướng tới
5G và những lợi ích của nó. Trên thực tế, việc đạt được những lợi ích này sẽ đòi hỏi
những thay đổi lớn trong cách mạng di động và các cơ sở hạ tầng cơ bản đang được xây
dựng - đặc biệt là đối với lớp backhaul.


8

1.4.1. Mật độ công suất cao hơn
1.4.2. Lƣu lƣợng phức tạp và phân bố không đồng đều
1.4.3. Dịch vụ và ảo hóa mạng
1.4.4. Các vấn đề khác
1.5.

Kết luận chƣơng
Với sự phát triển của mạng thông tin di động qua các thế hệ từ 1G đến 5G, các thuê

bao di động ngày càng có nhiều thay đổi. Ngày nay với sự xuất hiện của cuộc cách mạng
công nghiệp 4.0 cũng dẫn đến một loạt các sự thay đổi khác như số lượng thiết bị đầu
cuối tăng nhanh, nhiều dịch vụ mới ra đời (internet kết nối vạn vật, trí tuệ nhân tạo, lái xe
tự động,…) do đó mạng di động thế hệ thứ 5 thật sự gặp phải những yêu cầu và thách
thức rất lớn. 5G cung cấp những lợi ích khổng lồ và thay đổi cách nhìn cho người sử
dụng điện thoại di động, và thậm chí với cả các nhà khai thác di động. Cuối cùng, việc
công nghệ 5G có đước triển khai thành công hay không là do các nhà khai thác dịch vụ
và các đối tác công nghệ của họ. Các nhà khai thác di động hiểu và lên kế hoạch cho các
yêu cầu về công suất cao hơn, mạng lưới tế bào dày hơn, triển khai cấp đường phố, ảo
hóa mạng và các ứng dụng quan trọng. Tất cả điều này sẽ giúp các nhà khai thác tăng
đáng kể hiệu quả hoạt động, cung cấp chất lượng dịch vụ cao hơn cho các thuê bao và đạt
được nhanh hơn cho các dịch vụ và công nghệ mới. Với sự phát triển không ngừng của

công nghệ 5G, mạng backhaul phục vụ cho công nghệ này cũng đòi hỏi sẽ thay đổi nhanh
chóng trong tương lai. Ngoài ra, mạng backhaul 5G cũng sẽ gặp phải nhữn thách thức rất
lớn như mật độ công suất cao, dịch vụ và ảo hóa mạng, tính bảo mật cao,… Do vậy đòi
hỏi cấp bách là phải xây dựng một mạng backhaul 5G đáp ứng được các yêu cầu của thực
tiễn, do đó phải áp dụng các công nghệ tiên tiến, hiện đại nhất để thỏa mãn nhu cầu của
thế hệ mạng trong tương lai này.


9

CHƢƠNG 2: CÔNG NGHỆ TWDM – PON VÀ RoF TRONG
MẠNG BACKHAUL DI ĐỘNG
2.1. Giới thiệu chung
Hiện nay, công nghệ truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp thứ 2 dung lượng 40
Gbps với nền tảng là kỹ thuật ghép kênh kết hợp theo thời gian và theo bước sóng
(TWDM) đã được chuẩn hóa và được kỳ vọng sẽ sớm được triển khai rộng khắp trên thế
giới. Hệ thống truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp (TWDM - PON) có khả năng đáp
ứng nhu cầu phạm vi rộng và đa dịch vụ trong một mạng di động. Bên cạnh đó, giải pháp
công nghệ truyền sóng vô tuyến qua sợi quang (RoF) với nhiều ưu điểm như suy hao
thấp, băng thông rộng, không chịu ảnh hưởng của nhiễu tần số vô tuyến,… cũng đang
dần chín muồi. Do vậy, giải pháp kết hợp công nghệ TWDM- PON và RoF trong mạng
backhaul di động hứa hẹn sẽ phát huy được các ưu điểm của cả hai công nghệ này và đáp
ứng được các nhu cầu của mạng di động backhaul.

2.2. Công nghệ TWDM - PON
2.2.1.Tổng quan
2.2.2. Công nghệ TWDM – PON cho hệ thống NG-PON2

Hình 2.1: Kiến trúc mạng TWDM- PON

10

2.2.2.1

Các thông số cơ bản của mạng TWDM-PON

2.2.2.2.

Các lợi ích chính của TWDM-PON

2.2.2.3.

Yêu cầu kỹ thuật chung của hệ thống NG-PON2

2.2.2.4.

Yêu cầu dịch vụ

2.2.2.5.

Yêu cầu lớp vật lý

Hình 2.2: Các bƣớc sóng của NG- PON2

Hình 2.2 thể hiện bước sóng của NG-PON2 với bước sóng đường xuống từ 1596
nm đến 1603 nm còn đường lên là từ 1524 nm đến 1544 nm với tùy chọn băng rộng và từ
1532 nm đến 1540 nm với tùy chọn băng hẹp.

11

Hình 2.3: Suy hao sợi quang đơn mode và tán sắc

2.2.2.6.






Yêu cầu hệ thống

Phát hiện và giảm ONU/OLT giả mạo
Yêu cầu khả năng phục hồi và tính dự phòng
Yêu cầu mở rộng tầm phủ
Giảm năng lượng
Chức năng OAM

2.2.3. Triển khai NG-PON2 trong thực tế
 Triển khai thẳng
 Triển khai linh hoạt
 Triển khai bao trùm tất cả

2.3. Công nghệ RoF
2.3.1. Tổng quan

Hình 2.4: Khái niệm về hệ thống RoF

(a) Trạm trung tâm

(b)Trạm gốc

Hình 2.5: Hệ thống quang-vô tuyến 900 MHz


12

2.3.2. Các kỹ thuật truyền sóng vô tuyến qua sợi quang
2.3.2.1. Công nghệ RoF sử dụng kỹ thuật IM-DD

(a) Tạo tín hiệu RF bằng điều chế cường độ của Laser

(b) Tạo tín hiệu RF bằng điều chế cường độ dùng một bộ điều chế ngoài
Hình 2.6: Tạo tín hiệu RF bằng điều chế

Nguyên lí trộn kết hợp được minh họa như sau. Hai trường quang có tần số góc ω1
và ω2 được biểu diễn:
E1= E01cos(ω1t)

(2.3)

E2= E02cos(ω2t)

(2.4)

Nếu cả hai trường tác động lẫn nhau trên một bộ tách sóng quang PIN, dòng tách
quang trên bề mặt sẽ tỉ lệ với bình phương của tổng các trường quang. Dòng tách quang
danh định là:
i PD = (E1 + E 2)2

(2.5)

i PD= E 01E 02cos[(ω1 − ω 2)t ]+ E 01E 02cos[(ω1+ ω 2)t ] + các thành phần khác
(2.6)


13

Thành phần cần quan tâm là E01E02cos[(ω1−ω2)t] thể hiện rằng, bằng cách điều
khiển sự khác biệt về tần số giữa hai trường quang, có thể tạo ra tín hiệu vô tuyến ở bất
kỳ tần số nào. Giới hạn trên duy nhất của các tần số vô tuyến được tạo ra bằng phương
thức này chính là giới hạn băng thông của bản thân bộ tách sóng quang. Nếu nhận xét
tính hiệu công suất quang thay cho cáctrường quangthì dòng tách quang được tính:
i PD = 2R p1  t  p2  t  .cos[{ω1 (t ) − ω 2 (t )}t + φ1 (t ) − φ 2 (t )] + các thành phần khác (2.7)
Với R là bộ nhạy của bộ tách sóng quang, t là thời gian, p1(t) và p2(t) là các tín hiệu
công suất quang tức thời. ω1(t) và ω2(t ), φ1(t) và φ2(t) tương ứng với tần số tức thời của
tín hiệu.
Phương trình (2.7) cho thấy sự ổn định tần số tức thời của các tín hiệu được tạo ra
nhờ RHD phụ thuộc vào độ lệch tần số tức thời giữa 2 sóng mang quang được trộn. Vì
vậy, trong RHD, cần thiết phải điều khiển độ lệch tần số tức thời một cách chính xác để
giữ tần số của tín hiệu phát ra ổn định. Thường thì chỉ có một trong hai sóng mang quang
được điều chế với số liệu.
Có nhiều phương thức tạo ra hai sóng mang quang cho tách sóng heterodyne kết
hợp. Phương thức thứ nhất là sử dụng bộ điều chế quang để tạo ra nhiều biên tần quang
và sau đó chọn các biên tần cần thiết. Một phương thức khác là sử dụng 2 nguồn laser
riêng biệt. Hai laser được chế tạo để phát ra ánh sáng có tần số (bước sóng) lệch nhau
một khoảng bằng tần số vô tuyến mong muốn. Kỹ thuật sau đây là một kỹ thuật thuộc
phương thức thứ nhất, kỹ thuật tạo hai sóng mang quang sử dụng laser điều tần (FM) và
bộ lọc quang (hình 2.7).

Hình 2.7: Nguyên lý trộn kết hợp (coherent) quang dựa trên laser điều tần


14

2.3.3. Những ƣu, nhƣợc điểm của công nghệ RoF
2.3.3.1. Những ƣu điểm của công nghệ RoF
 Suy hao thấp
 Băng thông rộng
 Không chịu ảnh hưởng của nhiễu tần số vô tuyến
 Lắp đặt và bảo dưỡng dễ dàng
 Giảm công suất tiêu thụ
 Phân bổ tài nguyên động

2.3.3.2. Những hạn chế của công nghệ RoF
2.3.4. Ứng dụng của RoF

Mạng truy nhập

Hình 2.8: Sử dụng hạ tầng sợi quang trong tòa nhà cho cả hệ thống vô tuyến và hữu
tuyến

2.4. Giải pháp kết hợp lai ghép giữa hai công nghệ RoF và TWDM- PON
trong mạng backhaul di động

Hình 2.9: Mạng truy cập di động RoF/TWDM-PON


15

2.5. Kết luận chƣơng
Qua các trình bày ở trên, chúng ta đã nghiên cứu hai công nghệ hai được sử dụng
trong mạng backhaul di động là TWDM-PON và RoF. Từ đó thấy được các kỹ thuật
được áp dụng trong hai công nghệ trên, những ưu điểm, nhược điểm cũng như khả năng
áp dụng trong thực tế. Qua đó, nhận thấy có thể kết hợp ưu điểm của cả hai công nghệ
TWDM- PON và RoF để xây dựng một hệ thống kiến trúc lại ghép sử dụng cả hai công
nghệ trên. Vì vậy một mạng truy cập di động băng thông rộng kế tiếp dựa trên kiến trúc
lai sử dụng các công nghệ TWDM-PON và MMW-RoF tận dụng và kết hợp được các ưu
điểm của hai công nghệ này, phát triển một mô hình toán học của hệ thống đường xuống,
phân tích toàn diện hiệu suất của đường truyền truy nhập lai RoF/TWDM trong khi xem
xét các tác động của sự suy yếu cả lớp vật lý của cả sợi quang và các liên kết không dây.
Hoạt động của các hệ thống RoF/TWDM-PON với các dịch vụ khác nhau cũng được
đánh giá so với các hệ thống MMW-RoF tương ứng. Kết quả tính toán cho thấy hệ thống
kết hợp RoF/TWDMPON có thể tận dụng lợi thế của cả mạng truy nhập quang và công
nghệ MMW-RoF để tạo ra một giải pháp linh hoạt băng rộng có chi phí thấp, linh hoạt
cho các mạng truy nhập di động thế hệ tiếp theo.


16

CHƢƠNG III: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG
BACKHAUL SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ TWDM - PON VÀ RoF
3.1.

Giới thiệu chung

3.2.

Đƣờng xuống cho hệ thống mạng viễn thông truy cập sử dụng RoF/TWDM-

PON
Hình 3.1 mô tả kiến trúc điển hình của các mạng truy nhập di động băng thông
rộng dựa trên các công nghệ TWDM-PON và MMW-RoF. Mạng kết hợp RoF/TWDMPON bao gồm phần sợi quang (TWDM-PON) và phần liên kết MMW. TWDM-PON có
khả thể đạt tốc độ10 Gbps thông qua nhiều cặp bước sóng để cải thiện tổng tốc độ dữ
liệu. Mỗi hệ thống XG-PON cung cấp tốc độ truy cập 10 Gbps cho đường xuống và 2,5
(hoặc 10) Gbps cho đường lên.

Hình 3.1 Kiến trúc đƣờng xuống của mạng truy nhập di động MMW-RoF

Hình 3.2: Kiến trúc đƣờng xuống của mạng truy nhập di động TWDM-PON/MMW RoF


17

3.3.

Phân tích hiệu năng
Hai tín hiệu quang sau khi qua bộ ghép quang được điều chế tín hiệu số QPSK tại

bộ điều chế Mach-Zehnder với chỉ số điều chế m, dẫn đến tín hiệu có kết quả sau:
E(t)=[ Ps cos

1t

+ cos

Trong đó: Ps là công suất truyền ở CO,

1

2

][1+mS(t)]

và

2

(3.1)

là tần số các tín hiệu của hai điốt

laser (LD), S(t) là tín hiệu số QPSK.
Tín hiệu được chuyển đến một đầu vào của AWG. Kết quả của AWG được xác
định bởi:
ET(t) =∑

i(t)*hi

Tx

(t)

(3.2)

Trong đó Ei(t) là đầu vào của tín hiệu ith của AWG và hiTx(t) là bộ chuyển đổi của
AWG cho kênh ith
Khi tín hiệu quang đi qua EDFA, tín hiệu đầu ra được xác định bởi:
EA(t)= GE ET (t) + nASE (t)

(3.3)

Trong đó GE là chỉ số khuếch đại của EDFA và nASE là nhiễu ASE có thể được xác
định bởi:
<nASE> = PASE = 2nζh0(GE-1)B0

(3.4)

Các tín hiệu sau khi qua bộ khuyến đại quang EDFA được truyền qua sợi quang 1
đến bộ tách với tỷ lệ chia tách NS, sau đó truyền qua sợi quang 2 tới RAU. Xem xét sự
suy giảm và phân tán của sợi quang, tín hiệu quang thu được tại RAU có thể được biểu
diễn bằng:
Er(t) = GE / N s Pr (cos

1t+cos

2t)

[ 1+mS(t)]

(3.5)

Trong đó: Pr là công suất quang học nhận được tại RAU. Với Pr= Ps exp(2)hCD1hCD2,

trong đó hệ

1

–

là hệ số suy giảm sợi quang, L1 là chiều dài của sợi quang

giữa EDFA và bộ chia, L2 là chiều dài của sợi quang giữa bộ chia và RAU. hCD1 và hCD2
là sự suy giảm công suất tín hiệu do tán sắc, được cho bởi:
hCD1 = e(-2π
hCD2 =e(-2π
Với

)
m

(3.6)

1
)

m

(3.7)

2

m là toàn độ rộng tối đa ở nửa cực đại của phổ laser; và

trễ do lan truyền của hai tín hiệu quang do tán sắc, được đưa ra bởi:

1

và

2

là độ


18

1

= DL1(γ2/c)fc

(3.8)

2

= DL2(γ2/c)fc

(3.9)

Với:
 D là tham số của sợi quang tán sắc.
 C là tốc độ của ánh sáng trong chân không.
 γ là bước sóng.
 fc là tần số (ví dụ: tần số MMW)
Do đó, dòng quang sau Photodiot (APD) được trình bày dưới dạng:
I (t)= RM |Er(t)|2
I (t) =RMPr(GE/Ns)[cos2(
I (t) =RMPr(GE/Ns)[1+0,5cos (

1t)

+ cos2 (
1t)

2t)

+ 2 cos(

+ 0,5cos (2

2t)

1t)

cos (

+ cos (

2t)][1+

mS(t)] 2

+ cos( 1 – 2)
t] [1+ mS(t)] 2 (3.10)

1+

2)t

2

Trong đó ℜ là hệ số đáp ứng và M là hệ số khuếch đại của APD. Từ (3.10), công
thức cos (

1–

2)t

, đó là tín hiệu MMW, có thể được trích ra bằng cách sử dụng một bộ

lọc băng thông. Vì vậy nên dòng điện của tín hiệu MMW được thể hiện như sau:
Immw (t) = ℜ RMPr(GE/Ns) [cos (

1–

2)t]

[1+ mS(t)] 2

(3.11)

Tiếp theo, tín hiệu MMW sẽ được khuyếch đại, cung cấp cho ăng-ten và phát đi
đến đầu thu. Tại đầu thu, tín hiệu nhận được truyền đến LNA và bộ trộn. Tại bộ trộn, tín
hiệu được ghép với tín hiệu lân cận (fmm) từ bộ dao động tạo ra tín hiệu có thể được thể
hiện như sau:
Imix(t)= ℜMPrGE (GPGTxGRxGL ) / ( PL LI ) [1/2N s ] [1+cos2(

1–

2)t][1+2mS(t)

+ m2S(t)2]
(3.12)

Với Gtx và Grx là công suất ăng ten thu và ăng ten phát. GP và GL là công suất của
PA và LNA. Tương ứng LI là tổn thất anten và PL là tổng số suy hao trên đường truyền.
Đối với việc truyền tín hiệu qua bước sóng millimet, việc suy hao trên đường truyền và
hệ số suy giản do ăng ten là rất cao. Bên cạnh đó, trong thực tế, ăng-ten thường được lắp
trên mái nhà hoặc các nơi cao, ở gần môi trường không gian tự do. Vì thế, tín hiệu qua hệ
thống MMW chủ yếu suy hao do đường truyền, sự hấp thụ khí quyển và sự suy giảm của


19

mưa. Do đó, tổng số suy hao do đường truyền của MMW có thể được thể hiện bằng công
thức như sau:
PL= Pfs + Pat + Prain = 20log (4

fmm/c) + (γox + γwv + γrain )d

(3.13)

Với Pfs là suy hao đường truyền trong môi trường tự do, Pat là sự hấp thụ khí
quyển bao gồm hấp thụ oxy và hơi nước, và Prain là sự suy hao do mưa.
Tiếp theo d là khoảng cách di chuyển, fmm là tần số sóng mang của MMW, c là tốc
độ ánh sáng trong môi trường chân không và cuối cùng γox, γwv, và γrain là hệ số suy hao
của oxy, hơi nước, và mưa tương ứng.
Với các thành phần một chiều, hài bậc hai, và tần số 2(

1–

2)

từ công thức (3.12)

sẽ được loại bỏ sau khi qua bộ lọc băng thông. Kết quả là, tín hiệu dữ liệu thu được như
sau:
Irec(t) = ℜ RMPrGE/Ns (GPGTxGRx GLGM ) / ( PL LI ) [mS(t)]

(3.14)

Với GM là công suất phát của bộ khuếch đại trung bình.
Tiếp theo, chúng ta sẽ tính đến các yếu tố ảnh hưởng đến nhiễu, gồm nhiều loại
như nhiễu cường độ tia laser (RIN), nhiễu pha, nhiễu của bộ khuếch đại và nhiễu của máy
thu. Các yếu tố này sau khi loại bỏ nhiễu pha được xác định bởi công thức:
σ2N = 2qM2FA (ℜ Pr + Id)Bn + (4KT Bn)Fn/ RL + 2RINℜ2M2Pr2 Bn + σ2ASE (3.15)
Với q là thay đổi điện tử. Bn là hiệu ứng băng thông suy giảm. Id là dòng tối trong
thiết bị quang. K là Hằng số Boltzmann. T là nhiệt độ của máy thu. RL là điện trở của tải.
Fn là nhiễu của PA. σ2ASE là nhiễu ASE và FA là nhiễu quá mức của APD. FA được xác
định bởi công thức:
FA (M) = kAM + (1- kA) (2- 1/M)

(3.16)

Trong đó kA là hệ số ion hóa.
Sự có mặt của ASE tạo ra ba loại nhiễu, bao gồm “shot noise”, “the signalspontaneous beat noise”, và “the spontaneous-spontaneous beat noise”. Do đó, tổng số
nhiễu gây ra bởi EDFA có thể được thể hiện như sau:
σ2ASE = σ2ase-sh + σ2s-sp + σ2sp-sp

(3.17)

Với σ2ase-sh, σ2s-sp, σ2sp-sp là “shot noise”, “the signal-spontaneous beat noise”, và
“the spontaneous-spontaneous beat noise” tương ứng.


20

Dưới ảnh hưởng của sợi quang tán sắc, hai tín hiệu quang đi qua hai sợi quang sẽ
bị trễ. Sự trễ này làm tăng nhiễu pha trên tín hiệu MMW đầu ra. Nhiễu pha được trình
bày như dưới đây:
σ2CD1 = ∫

2
m)/πf }

{1- cos (2 πf

1)}

2π

mBn(

2
1)

(3.18)

σ2CD2 = ∫

2
m)/πf }

{1- cos (2 πf

2)}

2π

mBn(

2
2)

(3.19)

Do đó, tổng độ nhiễu có thể được viết là:
σ2TN = σ2N + σ2CD1 + σ2CD2

(3.20)

Tại phía thu, tổng số nhiễu khuếch đại có thể được viết như sau:
NFAmp = NFLNA + (NFMPA -1)/GL

(3.21)

Với NFAmp là nhiễu của bộ khuếch đại, NFLNA và NFMPA là nhiễu của LNA và MPA
tương ứng
Từ công thức (3.14), (3.20), (3.21) đường xuống SNR có thể viết dưới dạng sau:

SNR= Ps/Pn ={ (ℜMmPr)2 σ2dGpGTxGRxGLGMGE2}/ (σ2TN PLPINFAmpNFRxKTBnN2s) (3.22)
Với Bn là hiệu ứng nhiễu băng thông. K là Hằng số Boltzmann. T là nhiệt độ tuyệt
đối của đầu thu RF. NFRx là nhiễu Anten thu nhận được. Và σd2 là công suất của tín hiệu
số bình thường.
Cuối cùng, BER sẽ là 1 hàm của SNR trong trường hợp điều chế tín hiệu số pha
trực giao QPSK và được viết theo công thức sau:
BER= 0,5erfc (√
3.4.

)

(3.23)

Đánh giá và nhận xét
Bảng 3.1: Các tham số chính của hệ thống
Tên

Ký hiệu

Giá Trị

Hệ số suy giảm cáp quang
Tải phản kháng
Đáp ứng PD
Hệ số khuếch đại APD
Tần số MMW
LNA thu được
MPA thu được
PA thu được

α
RL
ℜ
M
fmm
GL
GM
GP

0.2 dB/km
50 Ω
0.6 A/W
40
60 GHz
3 dB
15 dB
15 hoặc 25 dB


21

Tx thu được
Rx thu được
Tổn thất thực hiện
EDFA thu được
Tách tỷ lệ
Nhiễu đầu thu
Nhiễu khuếch đại
Hằng số Boltzmann
Công suất tín hiệu dữ liệu chuẩn hóa

Hiệu ứng nhiễu băng thông
Độ rộng tối đa tại nửa cực đại
của laser

GTX
GRX
PL
GE
NS
NFRx
NFLNA; NFMPA; Fn
K
σd
Bn

Hệ số suy giảm do oxy
Hệ số suy giảm do hơi nước
Hệ số suy giảm do mưa

γox
γwv
γrain

20 dB
15 dB
6 dB
15 dB
64
10 dB
4 dB

1.38e-23
1
10 GHz
12.75MHz
15.1 dB/km
0.1869 dB/km
dB/km

Hình 3.3 cho thấy sự so sánh hiệu năng giữa mạng truy nhập lai RoF/TWDMPON và MMW-RoF tương ứng với tổng khoảng cách cáp quang (L) là 20 km, 40 km và
60 km.


22

Hình 3.3: So sánh hiệu suất của hệ thống lai RoF/TWDM-PON và hệ thống MMW RoF với
GE = 15 dB

Hình 3.4: Sự phụ thuộc của hiệu suất BER trên tổng khoảng cách cáp quang (L) với Ps = 5
dBm


23

Hình 3.5: Sự phụ thuộc của hiệu suất BER vào tỷ lệ chia tách với GE = 15 dB và
L = 40 km.

Hình 3.6: Ảnh hƣởng của khoảng cách liên kết MMW đối với BER

3.5.

Kết luận chƣơng
Dựa trên tính toán của đường truyền RoF/TWDM-PON cho các mạng truy cập di

động thế hệ tiếp theo và phân tích toàn diện hiệu suất của hệ thống lai ghép RoF/TWDMPON linh hoạt và có dung lượng cao. Việc xem xét không chỉ các yếu tố nhiễu khác nhau
mà còn nhiều sự suy giảm khác của các hệ thống quang và khoảng cách. Sự phụ thuộc
của hiệu năng hệ thống đối với những yếu tố có thể gây suy giảm như khoảng cách liên
kết, chiều dài sợi quang, tỉ lệ phân tách đã được phân tích kỹ lưỡng. Các kết quả phân
tích cho thấy sự kết hợp giữa TWDM-PON và MMW-RoF trên cùng một cơ sở hạ tầng
có thể cung cấp giải pháp hiệu quả về chi phí, linh hoạt và băng thông rộng cho các mạng
truy cập di động thế hệ tiếp theo.