Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (tt)

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

VŨ TUẤN HƢNG

PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MẠNG TRUY NHẬP
QUANG VÔ TUYẾN ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TWDM-PON VÀ FSO

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
MÃ SỐ: 85.20.20.08 8
TÓM TĂT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ HẢI CHÂU

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
(Ghi rõ học hàm, học vị)

Phản biện 1: PGS.TS. BÙI TRUNG HIẾU
Phản biện 2: TS. PHẠM MẠNH LÂM

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 2018

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


1

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, trước nhu cầu sử dụng lưu lượng internet ngày càng tăng và sự
phát triển mạnh mẽ của các hệ thống thông tin di động, yêu cầu mở rộng, nâng cấp
hệ thống mạng là hết sức cần thiết. Để đảm bảo được nhu cầu băng thông hiện nay,
có nhiều công nghệ được nghiên cứu và đề xuất, trong đó có công nghệ quang thụ
động ghép kênh quang phân chia theo thời gian và bước sóng (TWDM-PON) kết
hợp với truyền thông quang qua không gian tự do (FSO) được quan tâm nhờ những
ưu điểm nổi bật của giải pháp kỹ thuật này. Việc nghiên cứu tìm hiểu hệ thống kết
hợp này đã và đang là nhu cầu cấp thiết trong việc nắm bắt và làm chủ các công
nghệ truy nhập mới cho các hệ thống mạng di động trong tương lai. Do vậy nội
dung luận văn “Phân tích hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng
kỹ thuật TWDM-PON và FSO” được tổ chức thành ba chương như sau:
Chương 1 - Tổng quan về công nghệ quang thụ động và truyền thông quang
qua không gian tự do
Chương 2 - Hệ thống lai ghép giữa mạng quang thụ động và truyền thông
quang qua không gian tự do
Chương 3 - Hiệu năng mạng truy nhập quang vô tuyến sử dụng kỹ thuật
TWDM-PON và FSO
Mặc dù đã hết sức cố gắng trong quá trình nghiên cứu, nhưng luận văn chắc
chắn sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự thông cảm
và góp ý, nhận xét của các thầy, cô để luận văn được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

2

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ QUANG THỤ ĐỘNG VÀ
TRUYỀN THÔNG QUANG QUA KHÔNG GIAN TỰ DO
1.1. Giới thiệu chung
Với xu hướng hiện nay, các công nghệ mạng đường trục phát triển rất mạnh
mẽ, các dịch vụ viễn thông cũng chuyển hướng từ loại hình dịch vụ hướng dữ liệu
thông thường sang loại hình dịch vụ hướng video (HDTV, hội nghị truyền hình,…)
bên cạnh đó nhu cầu của người sử dụng cũng ngày càng tăng cao, hiện tượng
nghẽn cổ chai ở mạng truy nhập là điều không thể tránh khỏi. Để hạn chế xảy ra
tắc nghẽn, cần phải tạo ra một đường truyền băng thông rộng, tốc độ cao và có khả
năng nâng cấp được. Có nhiều giải pháp được áp dụng để khắc phục vấn đề này ở
phía mạng truy nhập, trong đó hai công nghệ nổi bật phải kể đến là: Truyền thông
quang qua không gian tự do (FSO) và mạng quang thụ động (PON). Đây là hai
công nghệ có những ưu điểm riêng biệt và được xem là giải pháp hữu ích cho
mạng truy nhập [7].

1.2. Công nghệ quang thụ động
Mạng quang thụ động là một mạng quang điểm – đa điểm (P2MP) sử dụng
các phần tử thụ động như: sợi quang, bộ ghép quang, các bộ chia quang,… để
truyền dẫn tín hiệu từ nguồn tới đích. Với khái niệm này, mạng PON sẽ không chứa
bất kỳ một phần tử tích cực nào mà cần phải có sự chuyển đổi điện - quang. Mỗi
đầu cuối được kết nối tới mạng quang thông qua một bộ chia quang thụ động và
không cần nguồn cấp, vì vậy không có các thiết bị điện chủ động trong mạng phân
phối quang và băng thông được chia sẻ từ nhánh đến người dùng, cho phép một sợi
quang đơn phục vụ nhiều nhánh cơ sở, thường là từ 16-128 [3].


3

1.2.1. Kiến trúc chung của mạng truy nhập quang thụ động
Một mạng quang thụ động điển hình bao gồm 3 thành phần: Thiết bị kết cuối
đường quang (OLT), mạng phân phối quang (ODN), thiết bị mạng quang. Trong
mạng phân phối quang bao gồm các phần tử thụ động như sợi quang, các bộ chia,
các bộ tách/ghép quang thụ động, các đầu nối và các mối hàn quang. Phần tử tích
cực như OLT sẽ nằm ở trạm trung tâm (CO) và ONU nằm ở phía người dùng. Hình
1.1 là kiến trúc mạng quang thụ động điển hình.

Hình 1.1. Mạng quang thụ động PON

- Hệ thống PON điển hình bao gồm các phần tử nhƣ sau:
+ Bộ tách/ghép quang (Coupler)
+ Cách tử dẫn sóng dạng mảng (AWG)
+ Bộ chia (Splitter)
+ Thiết bị kết cuối đường quang (OLT)
+ Thiết bị mạng quang (ONU)
+ Mạng phân phối quang (ODN)
+ Hệ thống quản lý (EMS)

1.2.2. Các công nghệ truy nhập quang thụ động hiện tại
a) APON/BPON


4

Mạng APON/BPON được phát triển từ những năm 90, và không được quan
tâm phát triển ở thời điểm đó do chỉ hỗ trợ dịch vụ ATM.
Cấu trúc khung truyền dẫn cho APON:
- Đường xuống: Sử dụng công nghệ ghép kênh theo thời gian.

- Đường lên: Sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian.
BPON là chuẩn trên nền APON. Được bổ sung để hỗ trợ cho WDM ghép kênh phân
chia theo bước sóng, cấp phát băng thông đường lên động và lớn hơn.

b) GPON
GPON được mở rộng từ chuẩn BPON G.983 bằng cách tăng băng thông,
nâng hiệu suất nhờ sử dụng gói lớn, có độ dài thay đổi và tiêu chuẩn hóa quản lý.
Thêm nữa, chuẩn cho phép vài sự lựa chọn của tốc độ bit: cho phép băng thông
đường xuống là 2,488 Mbps và băng thông đường lên là 1,244 Mbps [3].

c) EPON
EPON là mạng trên cở sở PON mang lưu lượng dữ liệu gói trong các khung
Ethernet được chuẩn hóa theo IEEE 802.3, hoạt động với tốc độ 1 Gbps. Ở hướng
xuống, EPON hoạt động như một mạng quảng bá. Khung Ethernet được truyền bởi
OLT qua bộ chia quang thụ động đến từng ONU (với N trong khoảng từ 4 đến 64).
Hệ thống EPON cung cấp băng thông trung bình là 31,25 Mbps trên mỗi
ONU ở cả hướng xuống và lên, trong khi GPON với tốc độ truyền 2488 Mbps đối
xứng ở hướng xuống và lên thì băng thông cấp cho mỗi ONU là 77,75 Mbps. Điều
này làm cho GPON hiệu quả hơn so với EPON.

d) 10G-EPON và XG-PON
Nhằm mở rộng tốc độ truy nhập đường lên và đường xuống trong mạng PON
hiện nay lên mức 10 Gbit/s trong khi vẫn bảo đảm khả năng tương thích ngược với
các mạng PON đã được triển khai. IEEE và ITU-T cùng với nhóm FSAN đã xác
định giải pháp của họ là IEEE 802.3av 10G-EPON và ITU-T XG-PON.
Mạng quang thụ động tốc độ 10 Gbit/s có một số đặc điểm chính sau [4]:


5

 Bước sóng: Đường lên từ 1260 nm đến 1280 nm, đường xuống từ 1575
nm đến 1580 nm, và 1575 nm đến 1581 nm (cho triển khai ngoài trời).
 Quỹ công suất: Lớp N1: 14 dB đến 29 dB, lớp N2: 16 dB đến 31 dB, quỹ
mở rộng : Nhỏ nhất 33 dB.
 Tốc độ đường truyền: Đường lên 2,48832 Gbit/s, đường xuống 9,95328
Gbit/s.
 Tỉ lệ chia: Tối thiểu 1:64, có khả năng mở rộng tới 1:128 và 1:256.
 Phạm vi truyền dẫn vật lý tối đa: Tối thiểu 20 Km.
 Phạm vi truyền dẫn logic tối đa: Tối thiểu 60 Km.

1.2.3. Xu hướng phát triển của mạng quang thụ động
Sự phát triển trong công nghệ truy nhập quang cho đến nay có thể chia thành
hai giai đoạn chính. Giai đoạn đầu tiên bao gồm các mạng truy nhập quang tốc độ
vài Gigabit hoặc thấp hơn. Giai đoạn thứ hai là công nghệ truy nhập tốc độ 10
Gbit/s. Tuy nhiên, nhu cầu băng thông đang ngày một tăng lên và bị chi phối chính
bởi cuộc cách mạng về dịch vụ video như dịch vụ truyền hình theo yêu cầu, truyền
hình Internet, chia sẻ video,... Do vậy, các nhà cung cấp thiết bị và khai thác viễn
thông cùng các tổ chức chuẩn hóa đã tích cực hợp tác để phát triển một thế hệ công
nghệ truy nhập quang thụ động mới gọi là mạng truy nhập quang thụ động thế hệ kế
tiếp thứ hai (NG-PON2). Tháng 4 năm 2012, cộng đồng FSAN đã chính thức lựa
chọn TWDM-PON là công nghệ giải pháp cho mạng truy nhập quang thụ động thế
hệ kế tiếp thứ 2, NG-PON2. Cho đến nay công nghệ truy nhập quang TWDM-PON
vừa mới được chuẩn hóa và NG-PON3 vẫn đang được xúc tiến.

1.3. Công nghệ truyền thông quang qua không gian tự do
1.3.1. Hệ thống truyền thông quang qua không gian tự do
Công nghệ truyền thông quang qua không gian tự do sử dụng sự truyền lan
ánh sáng trong không gian tự do để truyền dữ liệu cho viễn thông hoặc mạng máy
tính. Đây là công nghệ truyền thông băng rộng tầm nhìn thẳng, trong đó tín hiệu

6

quang được truyền đi trong một búp sóng quang thay vì cáp quang như thông
thường. Một mạng truyền thông FSO điểm điểm bao gồm 2 bộ thu phát với khả
năng cung cấp thông tin hai chiều.

a) Bộ phát
Bộ phát có nhiệm vụ chính là điều chế dữ liệu gốc thành tín hiệu quang sau
đó truyền qua không gian tới bộ thu. Bộ phát bao gồm các bộ điều chế và mạch điều
khiển. Bộ điều chế có nhiệm vụ điều chế bản tin thành tín hiệu quang thường dùng
điều chế khóa đóng ngắt (on-off keying - OOK). Các nguồn dữ liệu được điều chế
và bức xạ vào nguồn quang. Như vậy mức logic "một" được truyền bằng cách bật
nguồn quang trong khi logic "không" được truyền bằng cách tắt nguồn quang.

b) Bộ thu
Bộ thu thực hiện việc khôi phục các dữ liệu đã được phát đi từ phía phát. Bộ
thu bao gồm các thành phần sau. Bộ thu quang bao gồm bộ thu tín hiệu, bộ lọc
quang, bộ tách sóng quang và bộ xử lý khôi phục dữ liệu đã gửi.

c) Kênh không gian tự do
Không khí là kênh truyền dẫn của FSO, sự truyền lan tín hiệu quang qua
không khí bị ảnh hưởng bởi 3 yếu tố chính là hấp thụ, tán xạ và nhiễu loạn. Hệ số
truyền của bức xạ quang qua một khoảng cách L có thể được mô hình hóa bằng luật
Beer Lambert [12].
T

Pr
 e  L
Pt

(1.1)

Trong đó: Pr là công suất thu quang; Pt là công suất phát; σ là hệ số suy hao (Km-1);
L là khoảng cách truyền dẫn (Km).

1.3.2. Các đặc điểm của hệ thống FSO
a) Tốc độ truyền dẫn cao
b) Độ rộng búp sóng hẹp


7

c) Bảo mật cao
d) Không cần xin cấp phép phổ tần
e) Dễ dàng triển khai
1.3.3. Các thách thức với hệ thống FSO
a) Ảnh hưởng của khí quyển
b) Hướng, bám và tìm kiếm (PAT)
1.4. Kết luận chƣơng
Chương 1 trình bày tổng quan về mạng quang thụ động, giới thiệu các công
nghệ quang thụ động, đồng thời cũng trình bày khái quát về các mạng quang thụ
động thế hệ mới và xu hướng của mạng quang thụ động. Nội dung chương này cũng
khái quát lại các vấn đề về hệ thống mạng quang không dây FSO với các tính năng
và các thách thức đặt ra đối với FSO. Đây là hai công nghệ rất hứa hẹn cho sự phát
triển của mạng truy nhập quang. Mục tiêu của luận văn là xem xét khả năng kết hợp
hai công nghệ này để tạo ra hệ thống quang lai ghép PON và FSO nhằm tận dụng
được hết ưu điểm của cả hai công nghệ.

8

CHƢƠNG 2
HỆ THỐNG LAI GHÉP GIỮA QUANG THỤ ĐỘNG VÀ
TRUYỀN THÔNG QUANG QUA KHÔNG GIAN TỰ DO
2.1. Giới thiệu chung
Hệ thống lai ghép giữa quang thụ động và quang vô tuyến là một công nghệ
bổ sung tuyệt vời cho các liên kết truyền thống, có khả năng khắc phục vấn đề về
nút cổ chai vì cả hai công nghệ đều có thể hỗ trợ công suất cao và tính bảo mật cao
trong mạng quang. Đồng thời có khả năng giảm thiểu chi phí cơ sở hạ tầng của các
mạng, cũng như cung cấp tính linh hoạt và khả năng triển khai nhanh chóng với
chất lượng truyền dẫn bảo đảm. Do đó có rất nhiều hệ thống lai ghép đã được đề
xuất như: TDM-PON lai ghép với FSO, WDM-PON lai ghép với truyền thông bằng
ánh sáng nhìn thấy (VLC),… và gần đây nhất là TWDM-PON lai ghép với FSO.

2.2. Một số hệ thống lai ghép giữa quang thụ động và quang vô tuyến
2.2.1. Hệ thống lai ghép giữa TDM-PON và FSO
2.2.2. Hệ thống lai ghép giữa WDM-PON và VLC
2.3. Hệ thống lai ghép sử dụng công nghệ TWDM-PON và FSO
2.3.1. Công nghệ TWDM-PON
a) Kiến trúc mạng TWDM-PON
Trong kiến trúc TWDM-PON, bốn XG-PON được xếp chồng lên nhau bằng
cách sử dụng bốn cặp bước sóng (ví dụ các cặp {λ1, λ5} {λ2, λ6} {λ3, λ7}
và {λ4, λ8} trong hình 2.3).


9

Hình 2.3. Kiến trúc mạng TWDM-PON

Các thông số cơ bản của mạng TWDM-PON [8][9]:
 Băng thông: 40 GBit/s.
 Lưu lượng người dùng: 1 Gbit/s.
 Tốc độ trên kênh truyền: 10 Gbit/s.
 Số kênh bước sóng: 4 – 8.
 Số lượng người sử dụng: 256.
 Độ rộng bước sóng: 50 – 100 GHz.
 Tầm với quang: 40 Km.
 Tính năng bổ sung: Tương thích với các hệ thống PON cũ.

b) Đặc điểm kỹ thuật của công nghệ TWDM-PON
- Yêu cầu kỹ thuật
 Mô hình kênh TWDM đa bước sóng.
 4-8 cặp kênh TWDM.
 Tỉ lệ đường lên và đường xuống trên mỗi kênh: 10-10 Gbit/s, 10-2,5 Gbit/s,
2,5-2,5 Gbit/s.


10

 Tầm với quang thụ động: đạt tổi thiếu 40 Km
 Hỗ trợ bộ chia với tỉ lệ tối thiểu là 1: 256.
 Hệ thống TWDM-PON đòi hỏi sự linh hoạt: Cân bằng giữa tốc độ, khoảng
cách, và tỷ lệ phân chia.
- Yêu cầu dịch vụ
- Yêu cầu lớp vật lý
- Yêu cầu hệ thống

2.3.2. Mô hình hệ thống lai ghép giữa TWDM-PON và FSO

Hình 2.6. Mạng backhaul di động lai ghép TWDM-PON và FSO

Hình 2.6 là cấu trúc điển hình của mạng backhaul di động tốc độ gigabit dựa trên
TWDM-PON và công nghệ FSO. Kiến trúc mạng bao gồm phần mạng quang và
phần liên kết không gian tự do. Hệ thống TWDM-PON như đã tìm hiểu ở trên với 4
cặp bước sóng có khả năng cung cấp 40 Gbit/s và 10 Gbit/s tương ứng cho đường
xuống và đường lên.

2.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng kênh truyền
a) Kênh truyền TWDM-PON


11

- Suy hao sợi quang
Suy hao là một trong những đặc tính quan trọng của sợi quang ảnh hưởng
đến thiết kế hệ thống thông tin quang vì nó xác định khoảng cách truyền dẫn tối đa
giữa bộ phát quang và bộ thu quang hoặc bộ khuyếch đại quang trên đường truyền.
+ Hệ số suy hao sợi quang: Khi ánh sáng lan truyền trong sợi quang, công
suất sẽ giảm dần dạng hàm mũ theo khoảng cách. Nếu P(0) là công suất quang đi
vào trong sợi (tại z = 0) thì công suất P(z) tại khoảng cách z sẽ giảm xuống bởi:
P(z)  P(0)e

 p z

(2.1)

Trong đó  p là hệ số suy hao của sợi quang có đơn vị là m-1 hoặc Km-1, z là
khoảng cách truyền dẫn.
+ Nguyên nhân gây suy hao: Có nhiều nguyên nhân gây suy hao tín hiệu

trong sợi quang, trong đó bao gồm các nguyên nhân chính như suy hao do hấp thụ,
suy hao do tán xạ và suy hao do uốn cong.
- Tán sắc sợi quang
Khi một xung quang lan truyền trong sợi, xung quang sẽ bị dãn rộng trong
quá trình lan truyền. Sự mở rộng xung gây ra bởi tán sắc do sự khác nhau về vận tốc
lan truyền của các thành phần trong xung quang.
+ Tán sắc mode
+ Tán sắc vận tốc nhóm
+ Tán sắc mode phân cực

b) Kênh truyền FSO
- Nhiễu loạn không khí
Chùm tia quang truyền qua khí quyển chịu tác động của nhiễu loạn khí
quyển với pha và biên độ biến thiên ngẫu nhiên. Nhiễu loạn khí quyển bao gồm
nhiều khu vực dòng xoáy hình cầu với đường kính và chỉ số khúc xạ khác nhau.


12

Các chùm tia quang truyền qua khí quyển ở không gian và thời gian khác nhau với
chiết suất khác nhau, các chỉ số này không đồng nhất ở các quy mô khác nhau. Sự
không đồng nhất với quy mô lớn sẽ tạo ra hiện tượng khúc xạ khiến chùm tia phát
đi lệch so với hướng truyền ban đầu.
+ Sự thăng giáng cường độ
+ Sự giãn xung
Cần phải chú ý rằng, mối quan hệ chính xác giữa độ rộng xung và cường độ
nhiễu loạn là không tồn tại. Hiện tượng giãn xung này gây ra sự xuyên nhiễu giữa
các ký hiệu (ISI) của các xung gần kề nhau, do đó làm tăng tỉ số lỗi bit (BER) của
hệ thống.
- Suy hao trong FSO

+ Môi trường truyền dẫn
+ Tổn hao công suất
+ Suy hao kênh truyền không khí
+ Hấp thụ
+ Tán xạ
- Lệch hƣớng phát-thu
Lỗi định hướng (sự lệch hướng) là tổng độ dịch giữa tâm chùm tia và tâm
khẩu độ thu. Sự lệch hướng được tổng quát gồm 2 yếu tố: sự lệch hướng cố định và
sự lệch hướng ngẫu nhiên.
- Mô hình kênh nhiễu loạn không khí
Khi tín hiệu quang truyền qua các kênh FSO, biên độ và pha của tín hiệu dao
động do nhiễu loạn khí quyển. Nhiều mô hình thống kê của các biến động cường độ
qua kênh FSO đã được đề xuất. Với điều kiện nhiễu loạn yếu đến trung bình, phân
bố Log-normal thường được sử dụng, trong khi đó với điều kiện nhiễu loạn trung
bình đến nhiễu loạn mạnh, phân bố Gamma-Gamma được sử dụng.


13

+ Mô hình kênh Log – normal: Trường bức xạ (cường độ) trong môi trường
nhiễu loạn là I  A(r) trong khi cường độ trong không gian tự do (không có sự
2

nhiễu loạn) được cho bởi công thức I 0  A0 (r) , và cường độ theo hàm log được
2

cho bởi công thức:
2

A(r)

l  loge
 2
A0 (r)

(2.1)

Trong đó A(r) là biên độ của trường quang khi có nhiễu loạn khí quyển, A0(r) là
biên độ của trường quang khi chưa có nhiễu loạn khí quyển, sự biến đổi log biên
độ của trường quang. Do đó,

I  I 0 el

(2.2)

Để đạt được hàm mật độ xác suất của bức xạ, sử dụng biến đổi

pI   p X 

dX
, để đi tới hàm phân bố log chuẩn cho bởi công thức:
dI
p(I) 

1

1
e
2 I
2 l



 ( ln ( I / I 0 )  E ( l ) 2
2 l2

I 0

(2.3)

+ Mô hình kênh Gamma – Gamma: Mô hình nhiễu loạn GammaGamma được đề xuất bởi Andrews [13], sự thăng giáng của trường quang truyền
qua khí quyển nhiễu loạn được giả thiết bao gồm các ảnh hưởng phạm vi nhỏ (tán
xạ) và ảnh hưởng phạm vi lớn (khúc xạ). Các thăng giáng phạm vi lớn được tạo ra
bởi các xoáy nhiễu loạn lớn hơn vùng Fresnel thứ nhất hoặc vùng tán xạ. Các xoáy
nhiễu loạn kích thước nhỏ được giả định được điều chế bởi các xoáy nhiễu loạn
kích thước lớn. Do đó, cường độ trường quang thu chuẩn hóa I được xác định là tích
của hai quá trình ngẫu nhiên độc lập thống kê X và Y

I=XY

(2.9)


14

Trong đó X và Y phát sinh từ các xoáy nhiễu loạn kích thước lớn và kích
thước nhỏ, được đề xuất tuân theo phân bố Gamma [13]. Hàm mật độ xác suất (pdf)
của chúng được xác định:

  X 
pX ( X ) 

  

e aX , a  0, X  0

(2.10)

  Y 
pY (Y ) 
 

e Y ,   0, Y  0

(2.11)

 1

 1

Trong đó ,  là số lượng hiệu dụng của các xoáy có kích thước lớn và các
xoáy có kích thước nhỏ của quá trình tán xạ. Phân bố gamma được lựa chọn ở đây
vì nó đã cho thấy đó là phép xấp xỉ phù hợp cho nhiều bài toán lan truyền liên quan
tới cường độ. Bằng việc cố định X và viết Y = I / X , ta thu được hàm mật độ xác
suất PDF có điều kiện

  I X 
pY (I X ) 
X  

 1

e I X , I  0

(2.12)

Khi X là giá trị trung bình (có điều kiện) của I. Để nhận được phân bố cường
độ vô điều kiện, xác suất có điều kiện p(X/Y) được tính trung bình trên phân bố
thống kê của X, để có được hàm phân bố cường độ trường theo phân bố GammaGamma như sau:


p(I)   pY  (I X ) p X (X)dX
0



(   )/2

2( )
I
( )(  )

(   )
1
2

(2.13)

K   (2  I ), I  0

được gọi là giá trị phân bố Gamma-Gamma. Trong đó,  và  đại diện cho số lượng
hiệu dụng của các xoáy kích thước lớn và xoáy kích thước nhỏ của quá trình tán xạ.

Kn(.) là hàm Bessel sửa đổi loại 2 bậc n và (.) là hàm Gamma.


15

2.4. Kết luận chƣơng
Chương 2 Trình bày tổng quan và đưa ra hai mô hình về hệ thống lai ghép
giữa quang thụ động và quang vô tuyến là TDM-PON và FSO, WDM-PON và
VLC. Nội dung chương 2 cũng tập trung trình bày về công nghệ TWDM-PON bao
gồm kiến trúc mạng và các yêu cầu với hệ thống TWDM-PON và các ưu nhược
điểm của hệ thống. Qua đó giới thiệu và đề xuất mô hình hệ thống lai ghép giữa
TWDM-PON kết hợp FSO, đưa ra các yếu tố ảnh hưởng đến kênh truyền trong
mạng lai giữa TWDM-PON và FSO bao gồm mô hình giải tích của tham số đường
truyền của các kênh thành phần TWDM-PON và FSO như suy hao đường truyền,
nhiễu loạn không khí và sự lệch hướng đồng thời phân tích các tham số suy hao và
tán sắc của sợi quang.


16

CHƢƠNG 3
HIỆU NĂNG MẠNG TRUY NHẬP QUANG VÔ TUYẾN SỬ
DỤNG KỸ THUẬT TWDM-PON VÀ FSO
3.1. Giới thiệu chung
Hình 3.1 là mô hình đường xuống điển hình của hệ thống lai ghép TWDMPON và FSO được xem xét trong nội dung luận văn. Giả sử ODN gồm 2 đoạn, sợi
quang phía trước và phía sau bộ chia với chiều dài lần lượt là L1 và L2; chiều dài
kênh FSO là LFSO. Do vậy, tổng chiều dài sợi quang là LTWDM (LTWDM= L1+ L2) và
tổng chiều dài của hệ thống là (L= L1+ L2+ LFSO).

Hình 3.1. Mô hình đƣờng xuống hệ thống lai ghép TWDM-PON/FSO

3.2. Mô hình hóa hệ thống lai ghép sử dụng công nghệ TWDM-PON và
FSO
3.2.1. Giới thiệu về phần mềm OptiSystem
Trong luận văn này, OptiSystem 7.0 được sử dụng để mô phỏng lại một kênh
đường xuống của hệ thống lai ghép TWDM-PON và FSO, đồng thời đánh giá hiệu
năng của hệ thống (BER) với sự thay đổi của các tham số quan trọng như công suất
phát, khoảng cách truyền dẫn, độ lợi bộ khuếch đại, tỷ lệ chiều dài FSO trong tổng
chiều dài kênh truyền.


17

3.2.2. Mô hình hệ thống TWDM-PON kết hợp FSO
a) Sơ đồ thiết kế của hệ thống TWDM-PON kết hợp FSO
Xét sơ đồ đường xuống hệ thống TWDM-PON kết hợp FSO như trong hình
3.2.

Hình 3.2. Sơ đồ đƣờng xuống hệ thống TWDM-PON kết hợp FSO

b) Chức năng của các khối thành phần
- Khối phát tín hiệu tại OLT
- Khối thu tín hiệu tại ONU
- Mạng phân phối quang

c) Tham số mô phỏng
- Dung lƣợng truyền dẫn và số lƣợng kênh
Số lượng kênh: N = 4 (kênh) từ λ1 đến λ4; Tốc độ truyền tín hiệu trên mỗi
kênh: B = 10 Gbit/s; Chiều dài chuỗi: 128 bít; Số mẫu trong một bít: 64; Số lượng
mẫu = 8192.

- Tham số bộ ghép kênh AWG


18

- Kênh truyền sợi quang
Bước sóng tham khảo = 1599,75 nm; Chiều dài sợi = 39,4 Km; Suy hao =
0,2 dB/Km; Độ lợi bộ khuếch đại = 25 dB.
- Kênh truyền FSO
Độ dài FSO = 0,6 Km; Suy hao kênh truyền FSO = 0,2 dB/Km; Khẩu độ
máy phát = 5 cm; Đường kính máy thu FSO = 20 cm; Độ lệch chùm tia = 2 mrad.

3.3. Phân tích hiệu năng hệ thống
Để đánh giá hiệu năng của hệ thống TWDM-PON kết hợp FSO, ta sẽ sử
dụng thêm mô hình của hệ thống TWDM-PON làm mốc so sánh. Mô hình của hệ
thống TWDM-PON sẽ có các tham số hệ thống giống với hệ thống lai ghép
TWDM-PON kết hợp FSO ta đang xét chỉ khác là không sử dụng kênh truyền FSO.
- Phổ và công suất tín hiệu đầu ra của bộ ghép kênh AWG

(a)

(b)

Hình 3.13. Phổ và công suất của tín hiệu tại đầu ra bộ AWG phía phát

Qua bộ phân tích phổ, ta thấy tín hiệu trong cả hai hệ thống bị mở rộng về
hai bên do ảnh hưởng bởi tham số tán sắc của kênh truyền. Tuy nhiên, sự khác nhau
ở đây là bởi tham số suy hao có thể quan sát ở bộ đo công suất.

19

(a)

(b)

Hình 3.14. Phổ và công suất của tín hiệu tại đầu vào máy thu

(a)

(b)

Hình 3.15. Đánh giá chất lƣợng tín hiệu đƣờng xuống tại Rx1 qua BER

Trong hình 3.15, ta nhận thấy qua biểu đồ mắt của cả hai hệ thống có nhiều
điểm tương đồng, tuy nhiên biểu đồ mắt của hệ thống TWDM-PON lai ghép FSO
hình 3.15 (a) không rõ nét bằng biểu đồ mắt của hệ thống TWDM-PON hình 3.15


20

(b). Điều đó có nghĩa hiệu năng của hệ thống TWDM-PON tốt hơn hiệu năng hệ
thống lai ghép giữa TWDM-PON và FSO. Ngoài ra, đánh giá chất lượng tín hiệu
qua Min.BER, ta thấy Min.BERTWDM-PON
lai FSO

điều đó cũng

khẳng định là chất lượng tín hiệu của hệ thống TWDM-PON tốt hơn so với hệ

thống lai ghép TWDM-PON và FSO.
Đồ thị hình 3.16 là đồ thị so sánh tỷ số lỗi bit của hai hệ thống khi tăng dần
công suất nguồn phát. Tại thời điểm công suất phát bằng 0 dB, tỷ số lỗi bít của hệ
thống lai ghép TWDM-PON kết hợp FSO cao hơn so với hệ thống TWDM-PON,
có nghĩa hiệu năng hệ thống lai ghép thấp hơn so với hiệu năng hệ thống TWDMPON thuần túy.

Hình 3.16. So sánh hiệu năng của hai hệ thống theo công suất nguồn phát

Khi tăng dần mức công suất của nguồn phát lên, ta thấy BER của cả hai hệ
thống đều giảm tuy nhiên là đồ thị của hệ thống TWDM-PON kết hợp FSO giảm rất
nhanh. Nếu xem xét về mặt hiệu năng hệ thống, với Min. log of BER là 10-12 hệ
thống lai ghép giữa TWDM-PON và FSO sẽ phải chịu một mức thiệt hại công suất


21

khoảng 0,5 dB so với hệ thống TWDM-PON thông thường.
Tiếp theo, luận văn sẽ khảo sát hiệu năng hệ thống dựa theo tổng chiều dài
kênh truyền. Quan sát hình 3.17 ta có thể BER của hệ thống lai ghép TWDM-PON
và FSO cao hơn so với BER của hệ thống TWDM-PON.

Hình 3.17. So sánh hiệu năng của hai hệ thống theo tổng chiều dài kênh truyền

Khi khoảng cách truyền dẫn tăng cao (Trường hợp xét là LFSO = 0,6 Km cố
định chỉ tăng LTWDM), ta thấy BER của hai hệ thống đều tăng, nhưng đồ thị của hệ
thống lai ghép TWDM-PON và FSO tăng nhanh hơn. Vậy khi khoảng cách tăng
chất lượng tín hiệu của hệ thống lai ghép TWDM-PON kết hợp FSO sẽ suy giảm rất
nhanh. Ngoài ra nếu xét hiệu năng hệ thống Min. log of BER là 10-12 thì tầm với
quang của hệ thống TWDM-PON có thể lên đến 85 Km, trong khi đó hệ thống lai
ghép TWDM-PON và FSO chỉ đạt 65 Km.

Tiếp theo ta so sánh hiệu năng của hai hệ thống khi thay đổi độ lợi G của bộ
khuếch đại quang. Như hình 3.18 ta thấy độ lợi có ảnh hưởng tương đương đối với
cả hai hệ thống, có thể thấy đồ thị của hai hệ thống gần như song song với nhau.


22

Nguyên nhân là cả hai cùng dựa trên nền tảng mạng phân phối quang TWDM-PON.
khi độ lợi G nhỏ, Min.log of BER của cả hai hệ thống bằng 0, có nghĩa BER =1, tín
hiệu không thể truyền dẫn từ phía phát sang phía thu được. Khi độ lợi bộ khuếch đại
lớn hơn, có thể thấy chất lượng tín hiệu của hai hệ thống được cải thiện rõ rệt. Vậy
độ lợi của bộ khuếch đại có ảnh hưởng rất lớn đến hệ thống lai ghép TWDM-PON
và FSO.

Hình 3.18. So sánh hiệu năng của hai hệ thống theo độ lợi của bộ khuếch đại

Cuối cùng ta sẽ xem xét sự ảnh hưởng của chiều dài liên kết FSO với hệ
thống lai ghép giữa TWDM-PON và FSO. Như trong hình 3.19 ta thấy, khi công
suất phát còn thấp, ảnh hưởng của chiều dài liên kết FSO tới hệ thống lai ghép là rất
lớn. Cụ thể hiệu năng hệ thống khi xét chiều dài liên kết FSO bằng 4,5% tổng chiều
dài (trường hợp xét là tổng chiều dài bằng 40 Km, LFSO=1,8 Km) khi công suất phát
dưới 6 dBm Min. log of BER bằng 0, BER =1 hay tỷ lệ lỗi bit 100%. Khi công suất
tăng cao lên BER cả 3 trường hợp giảm dần, thể hiện hiệu năng hệ thống của 3
trường hợp tốt dần lên. Như khi công suất nguồn laser phát tăng lên có thể khắc
phục được phần nào tỷ lệ lỗi bít do chiều dài liên kết FSO gây ra.


23

Hình 3.19. So sánh hiệu năng hệ thống với chiều dài FSO khác nhau

3.4. Kết luận chƣơng
Chương này xây dựng mô hình và mô phỏng một kênh đường xuống của hệ
thống lai ghép giữa TWDM-PON và FSO. Sự thay đổi tín hiệu quang khi qua từng
thành phần của hệ thống cũng được xem xét và đánh giá. Bên cạnh các yếu tố tác
động đến hiệu năng hệ thống bao gồm tầm với tối đa, chiều dài liên kết FSO, công
suất nguồn phát cũng được xem xét và đánh giá. Kết quả thu được cho thấy, để
cung cấp tính linh hoạt, hệ thống lai ghép TWDM-PON và FSO phải chịu một sự bù
đắp hiệu năng. Cụ thể là với cùng mức công suất nguồn phát, độ dài và các điều
kiện như nhau thì tỷ số lỗi bit BER của hệ thống lai ghép TWDM-PON kết hợp
FSO luôn cao hơn so với hệ thống TWDM-PON thuần túy. Lí do có thể giải thích là
dù hệ thống FSO rất tiết kiệm chi phí và linh hoạt cũng như tốc độ cao và dễ dàng
triển khai, hiệu năng và tính tin cậy của nó phụ thuộc lớn vào khoảng cách đường
dẫn do nhiễu loạn khí quyển và mất kênh. Cũng phải lưu ý rằng triển khai sợi quang
cung cấp chất lượng truyền dẫn cao hơn tuy nhiên việc triển khai sợi quang cũng
gây tốn kém hơn đồng thời giá thành các thiết bị yêu cầu cũng cao hơn.