Đánh giá hiệu năng hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC QAM dưới ảnh hưởng của lỗi lệch tia (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

DƢƠNG HỮU ÁI

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO
CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ SC-QAM
DƢỚI ẢNH HƢỞNG CỦA LỖI LỆCH TIA

Ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 9520208

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2018


Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Hà Duyên Trung
2. PGS.TS. Đỗ Trọng Tuấn

Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Quốc Bình
Phản biện 2: PGS.TS. Trịnh Anh Vũ
Phản biện 3: PGS.TS. Vũ Văn San

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ
cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi……giờ, ngày …. tháng …. năm……

Có thể tìn hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


MỞ ĐẦU
1. Bối cảnh nghiên cứu
Truyền thông quang không dây (WOC) là công nghệ sử
dụng sóng mang quang để truyền tải số liệu qua không gian.
Các ưu điểm nổi bật mà hệ thống truyền thông quang không
dây có được bao gồm tốc độ truyền bit cao, không bị ảnh
hưởng của nhiễu điện từ, không yêu cầu xin cấp phép tần số,
chi phí hiệu quả, triển khai nhanh và linh hoạt. Trong thời gian
gần đây, các hướng nghiên cứu đối với truyền thông quang
không dây đang nổi lên như là một công nghệ có thể phát triển
cho các ứng dụng không dây băng rộng trong nhà và ngoài trời
cho truyền thông không dây tương lai.
Các hệ thống truyền thông quang không dây trong nhà
điển hình bao gồm hệ thống truyền thông hồng ngoại (IR) và
hệ thống truyền thông sử dụng bước sóng ánh sáng nhìn thấy
(VLC), các hệ thống này do được triển khai trong nhà và cự ly
truyền dẫn ngắn nên ít chịu ảnh hưởng của môi trường không
khí như suy hao, nhiễu loạn không khí, sự lệch tia giữa máy
phát và máy thu. Các hệ thống truyền thông quang không dây
ngoài trời hay thường được gọi là truyền thông quang trong
không gian tự do (FSO), là công nghệ truyền thông tin, dữ liệu
giữa hai 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 (LOS). Do cự ly truyền dẫn xa, chịu
nhiều ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn nên việc triển khai
hệ thống FSO vẫn còn hạn chế. 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.
Để có thể đáp ứng yêu cầu truyền thông băng rộng, cự ly
xa, hệ thống FSO cần vượt qua các thách thức như sự suy hao
trong không khí, nhiễu loạn khí quyển dưới sự tác động của các
1


yếu tố thời tiết như sương mù, gió, mưa và tuyết, và có một số
vấn đề khó khăn trong việc triển khai các hệ thống FSO bao
gồm các tác động của sự tán xạ, hấp thụ, nhiễu loạn và sự lệch
tia. Trong các yếu tố này, nhiễu loạn của khí quyển và lỗi lệch
tia là yếu tố tác động lớn nhất và đây là vấn đề được nghiên
cứu nhiều nhất về hệ thống truyền thông quang không dây.
2. Những vấn đề còn tồn tại
Các nghiên cứu trước đây cho việc cải thiện hiệu năng của
hệ thống FSO thường tập trung vào việc sử dụng các giải pháp
kỹ thuật một cách riêng lẻ mà chưa có sự kết hợp nhiều giải
pháp kỹ thuật đồng thời, dẫn đến khả năng cải thiện hiệu năng
còn hạn chế. Chẳng hạn, một số nghiên cứu chỉ tập trung vào
các kỹ thuật phân tập, một số tập trung vào các kỹ thuật điều
chế, hoặc chuyển tiếp. Gần đây có một số nghiên cứu đã có sự
kết hợp sử dụng các kỹ thuật này nhưng thưc sự chưa nhiều,
đặc biệt là các kỹ thuật điều chế như SC-QAM và OFDM.
Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào hệ thống

FSO điểm-điểm, một số nghiên cứu về hiệu năng các hệ thống
FSO chuyển tiếp đa chặng đã được thực hiện gần đây. Tuy
nhiên, đối với các hệ thống này chưa đánh giá một cách đầy đủ
các tham số đường truyền, chẳng hạn ảnh hưởng của lệch tia và
kỹ thuật phân tập MIMO ít được xét tới.
Hệ thống FSO chuyển tiếp kết hợp nhiều giải pháp kỹ thuật
và đánh giá đầy đủ các tham số đường truyền vẫn là một trong
những thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu hiện nay.
3. Mục tiêu của luận án
- Mục tiêu chính của luận án hướng tới là nghiên cứu tìm
kiếm các giải pháp cải thiện hiệu năng của hệ thống truyền
thông quang không dây dưới ảnh hưởng của nhiễu loạn khí
quyển và lỗi lệch tia.
- Nghiên cứu, xây dựng biểu thức toán học của các tham số
hiệu năng của hệ thống từ các kỹ thuật cải thiện hiệu năng đã
được đề xuất đối với hệ thống truyền thông quang không dây
FSO.
2


4. Đóng góp khoa học của luận án
Đóng góp 1: Xây dựng mô hình giải tích và đánh giá hiệu
năng hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC-QAM
dưới ảnh hưởng của lỗi lệch tia.
Đóng góp 2: Đề xuất sử dụng kỹ thuật MIMO nhằm làm
giảm ảnh hưởng của lỗi lệch tia lên hiệu năng hệ thống FSO
chuyển tiếp sử dụng điều chế SC-QAM.
5. Bố cục luận án
Chương 1: Tổng quan về hệ thống FSO
Chương 2: Ảnh hưởng của lỗi lệch tia lên hiệu năng hệ

thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC-QAM
Chương 3: Giảm ảnh hưởng của lỗi lệch tia lên hiệu năng
của hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật MIMO
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG FSO
1.1. Giới thiệu chƣơng
Nội dung chính của chương sẽ tập trung khảo sát tham số
cấu trúc chỉ số khúc xạ thể hiện mức độ nhiễu loạn của khí
quyển, mô hình trạng thái kênh L-N và G-G, mô hình pha-đinh
do lệch tia giữa máy phát và máy thu.
1.2. Mô hình một hệ thống FSO
1.2.1. Máy phát
Chức năng chính của máy phát trong hệ thống FSO là điều
chế dữ liệu nguồn vào bức xạ quang mang tin, bức xạ này sau
đó sẽ được truyền tải trên kênh truyền để tới máy thu.
1.2.2. Kênh truyền dẫn khí quyển
Kênh truyền của một hệ thống FSO 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.
1.2.3. Máy thu
Tại máy thu, tín hiệu quang được tập trung lại và được tách,
giải điều chế và được xử lý thông tin.
3


1.3. Các yếu tố ảnh hƣởng lên hiệu năng hệ thống FSO
1.4. Mô hình kênh truyền
1.4.1. Giới thiệu về nhiễu loạn không khí
1.4.2. Tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ

Tham số quan trọng thể hiện cường độ dao động của chiết
suất đó là tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ Cn2 với đơn vị m2/3 ,
tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ là một hàm thay đổi theo độ
cao so với mực nước biển.
1.4.3. Mô hình nhiễu loạn Log-Normal
1.4.4. Mô hình nhiễu loạn Gamma-Gamma
1.4.5. Mô hình pha-đinh do lệch tia
Hàm phân bố xác suất của X p () gây ra bởi lỗi lệch tia được
xác định bởi công thức:
2
2
(1.46)
f X p ( X p )   2 X p 1 , 0  X p  A0 ,
A0
trong đó,   zeq /2 s , A0  erf (v) , v   a /( 2z ).
2

1.5. Kỹ thuật MIMO và điều chế trong FSO
1.5.1. Giới thiệu về điều chế trong FSO
1.5.2. Điều chế biên độ cầu phƣơng
1.5.3. Kỹ thuật MIMO
1.6. Các thông số đánh giá hiệu năng của hệ thống
1.6.1. Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình
1.6.1.1. Hệ thống SISO/FSO
Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình Pse của hệ thống được xác định:


Pse   Pe ( ) f ( )d  ,
0

(1.50)

1.6.1.2. Hệ thống MIMO/FSO
Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình của hệ thống được xác định:
MIMO

P se

  Pe ( )  f  ()d ,


1.6.2. Dung lƣợng kênh trung bình
1.6.2.1. Hệ thống SISO/FSO
4

(1.51)


Dung lượng kênh trung bình được xác định bởi biểu thức:


C   Blog 2 1     f ( )d , (bit/s/Hz),

(1.52)

0

1.6.2.2. Hệ thống MIMO/FSO
Với hệ thống FSO chuyển tiếp và kênh truyền MIMO, dung
lượng kênh trung bình của hệ thống có thể được xác định:

C   Blog 2 1     f Γ ()d , (bit/s/Hz),
Γ

(1.53)

1.7. Kết luận chƣơng 1
Nội dung Chương 1 cũng đã trình bày chi tiết về mô hình
giải tích của kênh truyền hệ thống thông tin quang không dây
FSO, trong đó mô hình hóa các ảnh hưởng của các tham số
chính của kênh truyền lên cường độ tín hiệu quang tại phía thu
như: tổn hao đường truyền, nhiễu loạn khí quyển và pha-đinh
do lệch tia.
CHƢƠNG 2
ẢNH HƢỞNG CỦA LỆCH TIA LÊN HIỆU NĂNG HỆ
THỐNG FSO CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ SCQAM
2.1. Giới thiệu chƣơng
Nội dung của chương này trình bày về ảnh hưởng của lệch
tia lên hiệu năng hệ thống. Với hệ thống FSO chuyển tiếp sử
dụng điều chế SC-QAM, nghiên cứu sinh đã xây dựng mô hình
giải tích khảo sát hiệu năng của hệ thống chịu ảnh hưởng của
nhiễu loạn khí quyển và lỗi lệch tia.
2.2. Hệ thống FSO điểm-điểm sử dụng chuyển tiếp
Hệ thống FSO chuyển tiếp được minh họa trong Hình 2.1.
S

R1

R2

R c-1

Rc

D

Hình 2.1. Mô hình hệ thống FSO chuyển tiếp
Tín hiệu điện ở đầu ra của PD của nút đích sau khi qua c
nút chuyển tiếp được xác định như sau:
c
c
re  t   Ps e(t ) i 0 X i 1 (t )i 1Pi   i 0i (t ).
(2.5)


5


2.3. Mô hình trạng thái kênh truyền
Trạng thái kênh truyền X được mô hình hóa bởi biểu thức:
X  Xl  Xa  X p.
(2.7)
trong đó, X l suy hao đường truyền, X a nhiễu loạn khí quyển,

X p lỗi lệch tia.
2.3.1. Suy hao đƣờng truyền
Sự suy hao của tín hiệu trong bầu khí quyển được xác định
theo công thức Beer–Lambert như sau:
P ( L)
(2.8)
Xl 

 e L ,
P(0)
trong đó, P( L) là công suất bức xạ tại khoảng cách L , P(0)
là công suất bức xạ tại đầu phát,  l là hệ số suy hao phụ thuộc
vào bước sóng cũng như điều kiện thời tiết.
2.3.2. Nhiễu loạn khí quyển
2.3.2.1. Mô hình nhiễu loạn Log-Normal
Hàm mật độ xác suất được xác định như sau:
 [ln(X )+0,5 I2 ]2 
1
c 1
fX  X  
exp  
 , (2.17)
2 I2
(c  1) X c 1 I 2


2.3.2.2. Mô hình nhiễu loạn Gamma-Gamma
Hàm mật độ xác suất được xác định như sau:
l



fX X

c 1

2  

 

   c  1 Γ   Γ    X
2

 
2

c 1





K   2  X . (2.20)

2.3.3. Lỗi lệch tia
Hàm mật độ xác suất được xác định bởi công thức (1.46).
2.4. Tổng hợp biến đổi tín hiệu cho toàn hệ thống
2.4.1. Hệ thống chịu ảnh hƣởng của nhiễu loạn khí quyển
Trường hợp mô hình nhiễu loạn L-N.
2
   

 c21 
1
2
2



f    
exp

ln
+

8

I . (2.24)
c 1
     I 


 (c  1) 2  2


I
6


Trường hợp mô hình nhiễu loạn G-G.

 

 c 1 


 2 







,


 . (2.27)



 c  1 Γ   Γ   




2.4.2. Hệ thống chịu ảnh hƣởng của lỗi lệch tia
2.4.2.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu
Hàm mật độ xác suất của SNR cho trường hợp L-N.
f

c 1
2

1







2,0

G0,2

0,5  2 1

 0,5ln( / Xl2 A02  )  a 
 c 1 
2

1 b
f   2  
e

er
fc

 .
2

0,5

2 I

 2(c 1)( A0 X l ) 


(2.36)

2.4.2.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bính đến mạnh
Hàm mật độ xác suất SNR cho trường hợp G-G.
2


c 1
2
c 1
0.5

(

)
1
(

/

)
3,0
2

.
f ( ) 
 G1,3 

(c  1)( A0 X l )( )(  ) 2
A0 X l  2 1, 1c , 1c 



(2.43)
2.5. Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình
Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình ASER của hệ hống được tính theo
công thức:
2





0

0

Pse  2q( M I )  Q( AI  ) f ( )d   2q( M Q )  Q( AQ  ) f ( )d 


4q( M I )q( M Q )  Q( AI  )Q( AQ  ) f ( )d  ,
0

(2.49)
trong đó hàm Q( x) được xác định bởi công thức [70].
2
2
1
1
(2.50)
Q( x)  e ( x /2)  e (4 x /6) .
12
4

2.6. Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống FSO với tham số
ASER
2.6.1. Hệ thống chịu ảnh hƣởng của nhiễu loạn khí quyển
Các thông số đánh giá hiệu năng của hệ thống được cung
cấp ở bảng 2.2
7


Bảng 2.2. Các thông số đánh giá hệ thống
Thông số
Ký hiệu
Giá trị
Bước sóng ánh sáng
1550 nm

Hệ số chuyển đổi quang-điện
1A/W

Hệ số điều chế
1

-7
N0
Mật độ phổ công suất nhiễu
10 W/Hz
Biên độ tín hiệu đồng pha,
M I M Q 4  4, 8  4, 8  8
cầu phương
c
Số trạm chuyển tiếp

0, 1, 2
Tổng khoảng cách kênh
1 km  8 km
L
truyền
2.6.1.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu
Hình 2.5, ASER được khảo sát theo tham số SNR của hệ
thống với các giá trị khác nhau của khoảng cách truyền, sử
dụng điều chế 8  4 QAM trong môi trường nhiễu loạn khí
quyển yếu.
0

10

L = 2000 m
L = 6000 m
L = 8000 m

c = 1, P AF = 2dB

-1

10

-2

10

c=0

-3

ASER

10

c = 2, P AF = 2dB

-4

10

-5

10

-6

10

-7

10

0

5

10

15

20

25

SNR (dB)

Hình 2.5. ASER biến đổi theo SNR của hệ thống với các giá trị
khác nhau của khoảng cách truyền L sử dụng điều chế 8×4
QAM và số trạm chuyển tiếp c = 0,1, 2

8


Kết quả cho thấy rằng khi SNR càng tăng lên thì tỷ lệ lỗi ký
tự trung bình càng giảm, ở vùng giá trị lớn của SNR thì ASER
giảm mạnh khi SNR tăng. Trong trường hợp cụ thể, tăng
khoảng cách kênh truyền từ L  2000 m đến L  6000 m và
L  8000 m, giá trị ASER tăng đáng kể ở vùng giá trị lớn, hiệu
năng của hệ thống bị suy giảm. Vì vậy, để hệ thống đạt được
hiệu năng mong muốn ta cần tăng số trạm chuyển tiếp khi tăng
khoảng cách kênh truyền. Ví dụ như với L  6000 m khi tăng số
trạm từ c  0 đến c  1 và từ c  1 đến c  2 kết quả SNR giảm
tương ứng là 3 dB và 2 dB, tương ứng giá trị ASER  107.
2.6.1.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh
0

10

c=0

-1

10

c=1

-2

ASER

10

-3

10

c=2

-4

10

L = 2000 m, P AF = 2dB

-5

10

L = 6000 m, P AF = 2dB
L = 8000 m, P AF = 2dB
-6

10

0

5

10

15

20

25

30

SNR (dB)

Hình 2.7. ASER biến đổi theo SNR của hệ thống với các giá trị
của khoảng cách kênh truyền L = 2000 m, 6000 m, và 8000 m
sử dụng điều chế 8×4 QAM và hệ số khuếch đại PAF = 2 dB
Hình 2.7 mô tả sự biến đổi của ASER theo SNR của hệ
thống với các giá trị của khoảng cách kênh truyền L  2000 m
đến L  6000 m và L  8000 m, sử dụng điều chế 8×4 QAM
và hệ số khuếch đại của các trạm chuyển tiếp PAF  2dB. Các
kết quả thể hiện hiệu năng của hệ thống được cải thiện khi

giảm khoảng cách kênh truyền và tăng số trạm chuyển tiếp. Cụ
thể, tại L  6000 m , tăng số trạm chuyển tiếp từ c  0 đến
9


c  1 hoặc từ c  1 đến c  2 , SNR của hệ thống giảm khoảng
5dB tại giá trị ASER  103.
2.6.2. Hệ thống chịu ảnh hƣởng của lỗi lệch tia
2.6.2.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu
Hình 2.14 thể hiện sự biến đổi của ASER so với tỷ số tín
hiệu trên tạp âm SNR với các giá trị bán kính tia phát
0  0,020 m, 0,022 m, 0,024 m trong trường hợp sử dụng
trạm chuyển tiếp c  1 và không có trạm chuyển tiếp c  0 . Từ
hình ta thấy rằng càng tăng giá trị SNR thì giá trị của ASER
càng giảm, giá trị này giảm mạnh trong vùng giá trị lớn của
SNR thì ASER. Các kết quả mô phỏng (phương pháp mô
phỏng Monte-Carlo) cho các trường hợp c  1 và c  0 theo
các giá trị bán kính tia phát cho thấy sự phù hợp giữa mô hình
hệ thống và kết quả tính toán.
0

10

-1

10

c=0

-2

ASER

10

c=1

-3

10

-4

10

Theory, o = 0,022 m
Theory, o = 0,024 m

-5

10

Theory, o = 0,020 m
Simulation

-6

10

0

5

10

15

20

25

30

SNR (dB)

Hình 2.14. ASER biến đổi theo SNR của hệ thống với các giá
trị khác nhau của 0 , bán kính khẩu độ thu r = 0,055 m,

L = 1000 m,  s = 0,16 m
2.6.2.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh
Hình 2.16 thể hiện mối quan hệ giữa ASER và độ lệch
chuẩn jitter  s với các giá trị trạm chuyển tiếp c  0, 1, 2,
trong điều kiện nhiễu loạn từ trung bình đến mạnh,
10


Cn2  3.1014 m-3/2 . Từ các kết quả ta thấy rằng giá trị ASER
của hệ thống giảm đáng kể khi tăng số trạm chuyển tiếp, sự
thay đổi này càng lớn ở vùng giá trị nhỏ của  s và hầu như
không thay đổi nhiều ở vùng giá trị lớn. Ứng với một giá trị

nhất định của trạm chuyển tiếp, giá trị của ASER là thấp nhất
khi 0  0,022 m.
0

10

c=0
-1

10

-2

ASER

10

c=2

-3

10

c=1
-4

r = 0,045 m, P AF = 3,5dB

10

r = 0,050 m, P AF = 3,5dB
r = 0,055 m, P AF = 3,5dB

-5

10
0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

0.11

0.12

0.13

0.14

 (m)
s

Hình 2.16. ASER biến đổi theo  s , với các giá trị khác nhau

của r , khoảng cách truyền L = 1000 m, bán kính khẩu độ thu
0 = 0,022 m, SNR = 22 dB
2.7. Dung lƣợng kênh trung bình
2.7.1. Hệ thống chịu ảnh hƣởng của nhiễu loạn khí quyển
Dung lượng kênh truyền của hệ thống được xác định.


C   Blog 2 1     f ( )d , (bit/s/Hz),
0

(2.51)

2.7.1.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu
Thực hiện tính toán, biến đổi, dung lượng kênh trung bình
của hệ thống FSO chuyển tiếp trong trường hợp mô hình kênh
L-N được xác định bởi công thức.
C
1
C
c  C
1



 c 1 d  . (2.57)
c

B
(c  1)
B c 0 c  1 0 B c 0 

11


2.7.1.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh
Tương tự, dung lượng kênh truyền trung bình của hệ thống
FSO chuyển tiếp trong trường hợp mô hình kênh G-G được xác
định bởi biểu thức.
 

  2
C
1


B
2 (c  1)       ln  2  

   2c 2    2c 2
,
1

 (2.59)
2 
4
4
6,1  ( )
.
G2,6
 16        2        2 c  2     2 c  2 
,

,
,
,


4
4
4
4
4
2.7.2. Hệ thống chịu ảnh hƣởng của lỗi lệch tia
2.7.2.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu
Với hệ thống FSO kết hợp kênh truyền MIMO, dung lượng
kênh của hệ thống được xác định bởi biểu thức (1.53)
Dung lượng kênh trung bình của hệ thống trong trường hợp
mô hình kênh L-N được xác định.

C
 2  eb  2 d
1
(1) k 1
1


 2



0,5 2
B

k
  2k  2
2 ln 2  (c  1)( A0 X l ) 
k 1

t
2
)
 exp(  2k  2)erfc(
2

I


1 2 2
t 
 exp (  I (  2k  2) 2 erfc( I ( 2  2k  2) 
) .
2
2
2 I 
2

(2.64)
2.7.2.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh
Dung lượng kênh truyền trung bình của hệ thống trong
trường hợp mô hình kênh G-G được xác định như sau:

  
C

1

B
(c  1)( A0 X l )       2 ln  2  
   1,  2

5,1
G3,5 
.
2
 A0 X l  1,  1,   1,   1  c,   1  c 
2

c 1

12

(2.68)


2.7.3. Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống FSO với tham
số ACC
2.7.3.1. Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển
Hình 2.19 mô tả sự biến đổi của ASE theo SNR của hệ
thống với các giá trị khác nhau của số trạm chuyển tiếp, và
khoảng cách kênh truyền L = 2000 m, hệ số khuếch đại của
mỗi trạm chuyển tiếp PAF  2 dB. Ta thấy rằng ASE phụ thuộc
mạnh vào mức độ nhiễu loạn không khí và tăng số trạm chuyển
tiếp, sự ảnh hưởng này trở nên mạnh hơn khi khoảng cách kênh
truyền càng lớn.

6

5

c = 0, 1, 2, P AF = 2 dB

ASE (b/s/Hz)

4

3

2

C2n = 3 10-14 m-2/3
1

C2n = 9 10-15 m-2/3
C2n = 1 10-15 m-2/3

L = 2000 m,  = 1500 nm
0

0

10

20

30

40

50

60

SNR (dB)

Hình 2.19. ASE biến đổi theo SNR của kênh truyền FSO với
nhiễu loạn khí quyển từ yếu đến mạnh, khoảng cách kênh
truyền L = 2000 m , và số trạm chuyển tiếp c = 0,1, 2
2.7.3.2. Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia
Hình 2.23 mô tả sự biến đổi của ASE theo SNR của hệ
thống với các giá trị khác nhau của độ lệch chuẩn,
 s  0,1, 0, 2 , 0, 25, tương ứng với ba giá trị khác nhau của
tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ

Cn2  1015 m2/3 ,

Cn2  9 1015 m2/3 Cn2  3 1014 m2/3 , và khoảng cách kênh
truyền L  2000 m. Kết quả chỉ ra rằng ASE giảm khi lỗi lệch
tia tăng lên, và tại mỗi giá trị của lệch tia sự phụ thuộc của
13


ASE vào mức độ nhiễu loạn là bé, ASE phụ thuộc mạnh vào
mức độ nhiễu loạn khí quyển.
6

s = 0,1 m
5

s = 0,2 m

ASE (b/s/Hz)

4

3

2

C2n=310-14 m-2/3

 = 0,25 m
s

1

C2n=910-15 m-2/3
C2n=110-15 m-2/3

0

0

10

20

30

40

50

60

SNR (dB)

Hình 2.23. ASE biến đổi theo SNR với các giá trị khác nhau
của độ lệch chuẩn,  s trong điều kiện nhiễu loạn từ yếu đến
mạnh, khoảng cách kênh truyền L = 2000 m
2.8. Kết luận chƣơng 2
Chương 2 đã trình bày đóng góp của nghiên cứu sinh trong
việc xây dựng mô hình giải tích khảo sát hiệu năng và giải
pháp cải thiện hiệu năng của hệ thống thông tin quang không
dây FSO. Kết quả khảo sát hiệu năng cho thấy rằng, kỹ thuật
chuyển tiếp giúp cải thiện đáng kể hiệu năng và cự ly truyền
dẫn của hệ thống. Việc thiết lập các tham số thông thường,
tham số hệ số khuếch đại của trạm chuyển tiếp được xác định
để đạt được cự ly truyền dẫn và giá trị hiệu năng yêu cầu.
CHƢƠNG 3
GIẢM ẢNH HƢỞNG CỦA LỆCH TIA LÊN HIỆU NĂNG
CỦA HỆ THỐNG FSO CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG KỸ
THUẬT MIMO
3.1. Giới thiệu chƣơng
Nội dung của chương này trình bày đóng góp của nghiên
cứu sinh trong việc đề xuất mô hình và giải pháp cải thiện hiệu

năng hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật phân tập
14


không gian MIMO và điều chế SC-QAM. Với hệ thống FSO
chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật phân tập không gian MIMO [C1],
nghiên cứu sinh đã xây dựng mô hình giải tích khảo sát hiệu
năng của hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển
[J1], [C2] và chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia [J2], [J3], [C1].
3.2. Hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng phân tập MIMO
Hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật MIMO được
thể hiện như Hình 3.1.

Hình 3.1. Hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật MIMO
Tín hiệu điện tại đầu ra của bộ giải điều chế M  N QAM của
hệ thống M  N FSO sử dụng c trạm chuyển tiếp được xác
định:
M N
re  t   Ps e(t ) 
 m1 n 1


 Xi 1 mni 1Pi  
i 0

c

 

M N


vmn  (t ) , (3.1)

i 0  m 1 n 1
i
c

 

3.3. Mô hình trạng thái kênh truyền
Trạng thái kênh truyền X của hệ thống như đã xét trong
phần 2.3, mô hình trạng thái kênh được xác định bởi công thức
(2.7).
3.4. Tổng hợp biến đổi tín hiệu cho toàn hệ thống
3.4.1. Hệ thống chịu ảnh hƣởng của nhiễu loạn khí quyển
15


Hàm mật độ xác suất SNR cho trường hợp phân bố L-N.
2
   


 c21 
1
2
2
mn

f Γmn   mn  

exp  ln 
 + I  8 I . (3.6)
c 1
    mn 



 (c  1) 2  2


mn I
Hàm mật độ xác suất SNR cho trường hợp phân bố G-G.
fΓ

 
c 1
2
mn

 c 1 




 2

 mn
 c  1 Γ   Γ     mn
1



G0,2  
2,0


 mn
 ,   . (3.8)

 mn




3.4.2. Hệ thống chịu ảnh hƣởng của lỗi lệch tia
3.4.2.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu
mn

Phân bố xác suất SNR của hệ thống đối với phân bố L-N.

  mn  
2 1
0,5ln

0,5

 2 2 a
c1
 2 
 mn

2
1 b
 X l A0  mn   .

f Γmn   mn  
e  erfc

0,5 2



2 I

 2(c  1)( A0 X l )  mn






(3.10)
trong đó, ta đã đặt b   I2 ( 2  c){1  ( 2  c)}/ 2.
3.4.2.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh
Phân bố xác suất SNR của hệ thống đối với phân bố G-G.
c 1
2
c 1
 ( )
1
f Γ ( mn2 ) 

mn
(c  1)( A0 X l )( )(  ) 2 mn
2

 (3.12)
( mn / mn )0.5 
3,0 
.
G1,3 
2

A0 X l
  1,  1  c,   1  c 

3.5. Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình
Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình được tính theo công thức.
2

MIMO

P se





 2q( M I ) Q( AI  ) f  ()d   2q( M Q ) Q( AQ  ) f  ()d 






 4q( M I )q( M Q ) Q( AI  )Q( AQ  ) f  ()d ,


(3.14)
16


3.6. Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống FSO với tham số
ASER
Các thông số đánh giá được cung cấp ở Bảng 2.2.
3.6.1 Hệ thống chịu ảnh hƣởng của nhiễu loạn khí quyển
3.6.1.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu
Hình 3.5 thể hiện sự biến đổi của ASER theo SNR đối với
cấu hình SISO, 2  2 và 4  4 với khoảng cách kênh truyền
L  6000 m, sử dụng điều chế 8  4 QAM. Từ hình vẽ ta có thể
thấy rằng, khi tăng khoảng cách kênh truyền lên L  6000 m
thì sự thay đổi của ASER theo cấu hình MIMO và số trạm
chuyển tiếp sẽ thấp hơn trong trường hợp L  2000 m .
0

10

c=0
c = 1, P AF = 2dB

-1

10

c = 2, P AF = 2dB
-2

10

-3

ASER

10

SISO

-4

10

-5

10

2x2 MIMO

-6

10

4x4 MIMO

-7

10

-8

10

0

5

10

15

20

25

30

SNR (dB)

Hình 3.5. ASER biến đổi theo SNR của hệ thống SISO, 2×2 và
4×4, L = 6000 m sử dụng điều chế 8×4 QAM và số trạm
chuyển tiếp c = 0,1, 2
3.6.1.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh
Hình 3.6 mô tả ASER của hệ thống biến đổi theo SNR. So

sánh và đánh giá giữa hệ thống 2  2 , 4  4 và SISO, khoảng
cách kênh truyền L  6000 m, số trạm chuyển tiếp c  0, 1, 2
được sử dụng với hệ số khuyếch đại PAF  2 dB. Ta thấy rằng
hiệu năng của hệ thống cải thiện đáng kể khi tăng trạm chuyển
tiếp và cấu hình MIMO của hệ thống. Cụ thể, với khoảng cách
17


kênh truyền L  6000 m , cấu hình 4  4 FSO khi tăng trạm
chuyển tiếp từ c  0 đến c  1 thì SNR giảm tương ứng
2  3 dB từ c  1 đến c  2 giảm 7  8 dB tại giá trị

ASER  106.
0

10

c=0
-1

10

c=1

-2

ASER

10

-3

10

c=2
-4

10

4x4 MIMO, P AF = 2dB

-5

10

2x2 MIMO, P AF = 2dB
SISO, P AF = 2dB

-6

10

0

5

10

15

20

25

30

SNR (dB)

Hình 3.6. ASER biến đổi theo SNR của hệ thống SISO, 2×2 và
4×4 với các giá trị của trạm chuyển tiếp c = 0,1, 2 sử dụng
điều chế 8×4 QAM
3.6.2. Hệ thống chịu ảnh hƣởng của lỗi lệch tia
3.6.2.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu
Từ Hình 3.8 ta thấy rằng, ASER của hệ thống phụ thuộc lớn
vào các tham số đường truyền trong miền giá trị bé của lỗi lệch
tia  s , trong miền giá trị lớn của  s sự phụ thuộc này là
không đáng kể. Trong miền giá trị bé của  s , ASER giảm
mạnh nếu ta thay đổi cấu hình của hệ thống từ SISO lên 2  2
và 4  4 , và số trạm chuyển tiếp. Việc kết hợp cấu hình MIMO
với các trạm chuyển tiếp cho ta sự thay đổi đa dạng hơn giữa
các thông số của hệ thống, trong từng trường hợp cụ thể mà ta
có thể sử tăng trạm chuyển tiếp và giảm cấu hình MIMO hoặc
ngược lại, từ đó xác định được các cấu hình tối ưu cho hệ
thống, đặc biệt là trong miền giá trị lớn của lỗi lệch tia.
18


0

10

-1

10

SISO
-2

ASER

10

4x4 MIMO

-3

10

0 = 0,018 m, c = 0
 = 0,022 m, c = 0

-4

10

0

 = 0,018 m, c = 1
0

2x2 MIMO

0 = 0,022 m, c = 1

-5

10
0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

0.11

0.12

0.13

0.14

0.15

 (m)

s

Hình 3.8. ASER biến đổi theo  s với các cấu hình khác nhau
của hệ thống, khoảng cách truyền L = 1000 m, bán kính khẩu
độ thu r = 0,055 m, SNR = 23dB
0

10

SISO

-1

10

-2

ASER

10

2x2 MIMO

-3

10

4x4 MIMO

-4

10

Theory, 0 = 0,020 m
Theory, 0 = 0,024 m

-5

10

Theory, 0 = 0,022 m
Simulation

-6

10

0

5

10

15

20

25

30

SNR (dB)

Hình 3.12. ASER biến đổi theo SNR với các cấu hình khác
nhau của hệ thống, L = 1000m,  s = 0,16m . r = 0,055m, c = 1
Hình 3.12 vẽ lỗi ký tự trung bình ASER biến đổi theo SNR
của hệ thống FSO chuyển tiếp SISO, 2  2 FSO và 4  4 FSO
với các giá trị khác nhau của bán kính tia
0  0,020 m, 0,022 m, 0,024 m , với trạm chuyển tiếp c  1 .
19


Ta thấy rằng, hiệu năng của hệ thống tốt nhất đạt được ứng với
0  0,022 m . Giá trị ASER của hệ thống giảm mạnh ở vùng
giá trị lớn của SNR, các kết quả mô phỏng (phương pháp mô
phỏng Monte-Carlo) cho hệ thống đạt được phù hợp với các
kết quả tính toán giải tích.
3.6.2.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh
Hình 3.14 vẽ lỗi ký tự trung bình của hệ thống biến đổi theo
 s của hệ thống SISO, 2  2 và 4  4 FSO với các giá trị khác
nhau của bán kính tia, bán kính vòng tròn khẩu độ thu và số
trạm chuyển tiếp thay đổi từ c  0 đến c  1 . ASER của hệ
thống giảm mạnh nếu ta thay đổi cấu hình của hệ thống từ
SISO lên 2  2 và 4  4 MIMO, ASER thực sự giảm mạnh ở
vùng giá trị  s bé.
0

10

-1

10

SISO

-2

ASER

10

2x2 MIMO

-3

10

4x4 MIMO

-4

10

r = 0,055 m, c = 0
r = 0,060 m, c = 0
r = 0,055 m, c = 1
r = 0,060 m, c = 1

-5

10
0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

0.11

0.12

0.13

0.14

s (m)

Hình 3.14. ASER biến đổi theo  s , với các cấu hình SISO,

2×2 và 4×4 MIMO, L = 1000 m, 0 = 0,022 m, SNR = 23 dB
3.7. Dung lƣợng kênh trung bình
Với hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật phân tập MIMO và điều
chế SC-QAM, dung lượng kênh của hệ thống được xác định
bởi công thức (1.53).

3.7.1. Hệ thống chịu ảnh hƣởng của nhiễu loạn khí quyển
20


3.7.1.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu
Biểu thức dung lượng kênh trung bình được xác định.
C
1
C
c
C
1


d  mn ,
(3.17)
c
c 1

B
(c  1) mn B c 0 c  1  B c 0  mn
3.7.1.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh
Biểu thức dung lượng kênh trung bình được xác định.
 

  2
C
1

B

2 (c  1)       ln  2   mn
   2c  2    2c  2

,
1


2
4
4
6,1  ( )
.
G2,6
 16 mn        2        2 c  2     2 c  2 
,
,
,
,


4
4
4
4
4
3.7.2. Hệ thống chịu ảnh hƣởng của lỗi lệch tia
3.7.2.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu
Biểu thức dung lượng kênh trung bình được xác định:

(3.20)


C
 2  eb  2 c
1
(1) k 1
1


 2


0,5 2
B
k
  2k  2
2 ln 2  (c  1)( A0 X l ) 
k 1
mn

t
2
)
(3.21)
 exp(  2k  2)erfc(
2 I



1

t
 exp(  I2 ( 2  2k  2) 2 erfc( I ( 2  2k  2) 
) .
2
2
2 I 



2

3.7.2.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh
Biểu thức dung lượng kênh trung bình được xác định:

  
C
1

B
(c  1)( A0 X l )       2 ln  2   mn
2

C 1

   1,  2

5,1
G3,5 
.
2

 A0 X l  1,  1,   1,   1  c,   1  c 

21

(3.24)


3.7.3. Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống FSO với tham
số ACC
3.7.3.1. Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển
Hình 3.21 mô tả sự biến đổi của ASE theo SNR của hệ
thống với các cấu hình kênh SISO, 2×2 và 4×4, số trạm chuyển
tiếp c  1 trong điều kiện nhiễu loạn của khí quyển, khoảng
cách kênh truyền L  2000 m. Ta có thể thấy rằng giá trị của
ASE tăng đáng kể khi tăng cấu hình MIMO, tại giá trị
SNR  30 dB khi tăng cấu hình hệ thống từ 2×2 lên 4×4 với
điều kiện nhiễu loạn yếu Cn2  1015 m2/3 , ASE tăng từ 4
(b/s/Hz) lên 5 (b/s/Hz). Sự tác động của điều kiện nhiễu loạn
lên ASE là đáng kể khi khoảng cách kênh truyền tăng, sự thay
đổi này thể hiện rõ và thay đổi gần như tuyến tính trong vùng
giá trị bé của SNR, trong vùng giá trị SNR lớn giá trị của ASE
hầu như ít thay đổi khi thay đổi cấu hình MIMO, điều kiện
nhiễu loạn của khí quyển và số trạm chuyển tiếp của hệ thống.
6

4x4 MIMO
5

2x2 MIMO

ASE (b/s/Hz)

4

3

2

SISO
C2n = 3 10-14 m-2/3
1

C2n = 9 10-15 m-2/3
c = 1, L = 2000 m,  = 1500 nm

0

0

10

20

30

C2n = 1 10-15 m-2/3
40

50

60

SNR (dB)

Hình 3.21. ASE biến đổi theo SNR của kênh truyền SISO, 2×2
và 4×4 với nhiễu loạn khí quyển từ yếu đến mạnh, khoảng cách
kênh truyền L = 2000 m , và số trạm chuyển tiếp c = 1
3.7.3.2. Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia
Hình 3.25 mô tả sự biến đổi của ASE theo SNR của hệ
thống trong điều kiện nhiễu loạn yếu của khí quyển. Các kết
22


quả khảo sát được đánh giá qua các phân tập SISO, 2×2 và 4×4
và các giá trị của độ lệch chuẩn  s  0,1, 0,15, 0, 2 trong
trường hợp c  0. Kết quả thể hiện rằng dung lượng kênh trung
bình của hệ thống thay đổi lớn vào phân tập MIMO, lỗi lệch tia
và số trạm chuyển tiếp ở miền giá trị lớn của SNR, trong miền
giá trị bé sự thay đổi này là không đáng kể. Trong miền gián trị
lớn của SNR, ASE tăng mạnh khi tăng cấu hình phân tập của
hệ thống và giảm khi tăng số trạm chuyển tiếp và giá trị của độ
lệch chuẩn  s .
10

4x4 MIMO
9

2x2 MIMO

8

ASE (b/s/Hz)

7
6
5
4
3

SISO

s = 0,2 m

2

 = 0,15 m
s

1

 = 0,1 m
s

0

0

10

20

30

40

50

60

SNR (dB)

Hình 3.25. ASE biến đổi theo SNR với nhiễu loạn yếu của khí
quyển, khoảng cách kênh truyền L = 4000 m, c = 0
3.8. Kết luận chƣơng 3
Nội dung Chương 3 đã trình bày đóng góp của nghiên cứu
sinh trong việc đề xuất mô hình và giải pháp cải thiện hiệu
năng hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật MIMO và
điều chế SC-QAM. Các công thức hiệu năng của hệ thống
được tính toán dựa trên các mô hình giải tích của hệ thống
trong điều kiện nhiễu loạn khác nhau của khí quyển. Kết quả
khảo sát hiệu năng cho thấy rằng, kỹ thuật chuyển tiếp kết hợp
với kỹ thuật MIMO giúp cải thiện đáng kể hiệu năng và cự ly
truyền dẫn của hệ thống.
23