Đánh giá hiệu năng hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SCQAM dưới ảnh hưởng của lỗi lệch tia (Luận án tiến sĩ)

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2018


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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. HÀ DUYÊN TRUNG
2. PGS.TS. ĐỖ TRỌNG TUẤN

Hà Nội – 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này
là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh
và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được
trong luận án là chính xác và trung thực, tất cả các kế thừa của các tác giả khác đã
được trích dẫn.
Hà Nội, ngày 02 tháng 07 năm 2018
XÁC NHẬN CỦA TẬP THỂ HƯỚNG DẪN
GV. Hướng dẫn 1

GV. Hướng dẫn 2

Tác giả luận án

PGS.TS. Hà Duyên Trung

PGS.TS. Đỗ Trọng Tuấn

Dương Hữu Ái


LỜI CẢM ƠN
Trước hết tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến PGS. TS. Hà Duyên Trung và
PGS. TS. Đỗ Trọng Tuấn đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, định hướng, động viên kịp
thời trong suốt thời gian tác giả thực hiện luận án, đồng thời hỗ trợ tôi về nhiều mặt
để tôi có thể hoàn thành bản luận án này.
Qua đây tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn đến Viện Điện tử - Viễn thông và Viện

Đào tạo sau đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận
lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Đồng thời, xin gửi lời cảm ơn các
thầy cô, các anh chị, các bạn đồng nghiệp đã hỗ trợ tôi về nghiên cứu và học thuật
cũng như trong công tác chuyên môn.
Cuối cùng, tôi xin dành những lời cảm ơn và yêu thương nhất đến mọi thành
viên trong gia đình, sự động viên, giúp đỡ của họ là động lực mạnh mẽ giúp tôi vượt
qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án này.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 02 tháng 07 năm 2018
Tác giả luận án

Dương Hữu Ái


MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................. i
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................... v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................ vii
CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN .......................... xii
MỞ ĐẦU .................................................................................................................. xv
1. Bối cảnh nghiên cứu ....................................................................................... xv
2. Những vấn đề còn tồn tại .............................................................................. xix
3. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu................................................. xx
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ................................................. xxi
5. Phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................................. xxi
6. Đóng góp khoa học của luận án .................................................................... xxi
7. Bố cục luận án ............................................................................................... xxii
CHƢƠNG 1 ............................................................................................................... 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG FSO...................................................................... 1
1.1. Giới thiệu chƣơng .......................................................................................... 1

1.2. Mô hình một hệ thống FSO .......................................................................... 1
1.2.1. Máy phát....................................................................................................2
1.2.2. Kênh truyền dẫn khí quyển........................................................................3
1.2.3. Máy thu......................................................................................................5
1.3. Các yếu tố ảnh hƣởng lên hiệu năng hệ thống FSO ................................... 7
1.4. Mô hình kênh truyền ..................................................................................... 8
1.4.1. Giới thiệu về nhiễu loạn không khí...........................................................8
1.4.2. Tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ...............................................................9
1.4.3. Mô Hình nhiễu loạn Log-Normal............................................................13
1.4.4. Mô hình nhiễu loạn Gamma-Gamma......................................................17
1.4.5. Mô hình pha-đinh do lệch tia...................................................................19
1.5. Kỹ thuật MIMO và điều chế trong FSO ................................................... 22
1.5.1. Giới thiệu về điều chế trong FSO...........................................................22
i


1.5.2. Điều chế biên độ cầu phương..................................................................23
1.5.3. Kỹ thuật phân tập MIMO........................................................................24
1.6. Các thông số đánh giá hiệu năng của hệ thống ......................................... 26
1.6.1. Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình.........................................................................26
1.6.1.1. Hệ thống SISO/FSO ........................................................................ 26
1.6.1.2. Hệ thống MIMO/FSO ..................................................................... 26
1.6.2. Dung lượng trung bình............................................................................27
1.6.2.1. Hệ thống SISO/FSO ........................................................................ 27
1.6.2.2. Hệ thống MIMO/FSO ..................................................................... 27
1.7. Kết luận chƣơng 1 ........................................................................................ 28
CHƢƠNG 2 ............................................................................................................. 29
ẢNH HƢỞNG CỦA LỖI LỆCH TIA LÊN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO
CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ SC-QAM ............................................. 29
2.1. Giới thiệu chƣơng ........................................................................................ 29

2.2. Hệ thống FSO điểm-điểm sử dụng chuyển tiếp ........................................ 30
2.3. Mô hình trạng thái kênh truyền ................................................................. 32
2.3.1. Suy hao đường truyền..............................................................................32
2.3.2. Nhiễu loạn khí quyển...............................................................................33
2.3.2.1. Mô hình nhiễu loạn Log-Normal .................................................... 34
2.3.2.2. Mô hình nhiễu loạn Gamma-Gamma .............................................. 36
2.3.3. Lỗi lệch tia...............................................................................................37
2.4. Tổng hợp biến đổi tín hiệu cho toàn hệ thống........................................... 38
2.4.1. Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển...............................38
2.4.2. Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia................................................39
2.4.2.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 39
2.4.2.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh ................................ 40
2.5. Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình ............................................................................ 42
2.6. Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống FSO với tham số ASER ............... 43
ii


2.6.1. Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển...............................43
2.6.1.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 44
2.6.1.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh ................................ 45
2.6.2. Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia................................................47
2.6.2.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 47
2.6.2.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh ................................ 51
2.7. Dung lƣợng kênh trung bình ...................................................................... 54
2.7.1. Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển...............................54
2.7.1.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 54
2.7.1.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh ................................ 55
2.7.2. Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia................................................56
2.7.2.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 56
2.7.2.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh ................................ 57

2.7.3. Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống FSO với tham số ACC..................58
2.7.3.1. Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển ....................... 58
2.7.3.2. Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia ........................................ 61
2.8. Kết luận chƣơng 2 ........................................................................................ 63
CHƢƠNG 3 ............................................................................................................. 65
GIẢM ẢNH HƢỞNG CỦA LỖI LỆCH TIA LÊN HIỆU NĂNG CỦA HỆ
THỐNG FSO CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG KỸ THUẬT MIMO ....................... 65
3.1. Giới thiệu chƣơng ........................................................................................ 65
3.2. Hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật MIMO ............................... 66
3.3. Mô hình trạng thái kênh truyền ................................................................. 67
3.4. Tổng hợp biến đổi tín hiệu cho toàn hệ thống........................................... 69
3.4.1. Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển...............................69
3.4.2. Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia................................................70
3.4.2.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 70
3.4.2.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình điến mạnh ............................... 71
iii


3.5. Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình ............................................................................ 71
3.6. Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống FSO với tham số ASER ............... 72
3.6.1 Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển................................73
3.6.1.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 73
3.6.1.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh ................................ 74
3.6.2 Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia.................................................76
3.6.2.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 76
3.6.2.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh ................................ 80
3.7. Dung lƣợng kênh trung bình ...................................................................... 83
3.7.1. Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển...............................83
3.7.1.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 83
3.7.1.1. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh ................................ 84

3.7.2. Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia................................................85
3.7.2.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 85
3.7.2.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh ................................ 85
3.7.3. Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống FSO với tham số ACC..................86
3.7.3.1. Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển ....................... 86
3.7.3.2. Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia ........................................ 90
3.8. Kết luận chƣơng 3 ........................................................................................ 92
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 93
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 95
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............. 103

iv


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Thuật ngữ tiếng anh

Nghĩa tiếng việt

ACC

Average Channel Capacity

Dung lượng kênh trung bình

AF

Amplify-and-Forward

Khuếch đại và chuyển tiếp

APD

Avalanche Photodiode

Đi-ốt quang thác lũ

ASE

Average Spectral Efficiency

Hiệu suất phổ trung bình

ASER

Average Symbol Error Rate

Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình

ASK

Amplitude Shift Keying

Điều chế khóa dịch biên độ

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Nhiễu Gauss trắng cộng

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ lỗi bít

CEP

Conditional Error Probability

Xác suất lỗi có điều kiện

DF

Decode-and-Forward

Giải mã và chuyển tiếp

DSL

Digital Subscriber Line

Đường dây thuê bao số

EGC

Equal Gain Combining

Bộ tổ hợp với cùng độ lợi

FEC

Forward Error Correction

Sửa lỗi hướng đi

FSO

Free-Space Optics

Truyền thông quang trong không
gian tự do

G-G

Gamma-Gamma

Phân bố Gamma-Gamma

HV-Day

Hufnagel-Valley Day Model

Mô hình HV-Day

HV-Night

Hufnagel-Valley Night Model

Mô hình HV-Night

IM/DD

Intensity Modulation with Direct
Detection

Điều chế cường độ tách sóng trực
tiếp

IM

Intensity Modulation

Điều chế cường độ

IR

Infrared Radiation

Bức xạ hồng ngoại

L-N

Log-Normal

Phân bố Log-Normal

LED

Light Emitting Diode

Đi-ốt phát quang

LOS

Line-Of-Sight

Tầm nhìn thẳng
v


MIMO

Multipe-Input Multipe-Output

Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

MRC

Maximal Ratio Combining

Bộ tổ hợp với tỷ số tối đa

OOK

On-Off Keying

Điều chế khóa đóng-mở

OWC

Optical Wireless Communications Truyền thông quang không dây

PDF

Probability Density Function

Hàm mật độ xác suất

PD

Photodiode

Diode tách quang

PPM

Pulse-Position Modulation

Điều chế vị trí xung

PSK

Phase-shift Keying

Điều chế khóa dịch pha

QAM

Quadrature Amplitude
Modulation

Điều chế biên độ cầu phương

RV

Random Variable

Biến ngẫu nhiên

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

Scanning and Selection

Bộ tổ hợp theo kiểu quét và lựa

Combining

chọn

SC-PPM

Subcarrier – Pulse Position

Modulation

Điều chế vị trí xung sóng mang
con

SC-PSK

Subcarrier – Phase-shift Keying

Điều chế khóa dịch pha song
mang con

SC

SC-QAM

Subcarrier – Quadrature

Điều chế biên độ cầu phương
sóng mang con

Amplitude Modulation

SIM

Subcarrier Intensity Modulation

Điều chế cường độ sóng mang
con

SISO

Single-Input Single-Output

Một đầu vào một đầu ra

SLC-Day

Submarine Laser Communication
Day Model

Mô hình SCL-Day

SNR

Signal-to-Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

VLC

Visible Light Communication

Truyền thông ánh sáng nhìn thấy

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống FSO với sự sự nhiễu loạn không khí ................................. 1

Hình 1.2. Tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ thay đổi theo độ cao của các mô hình
khác nhau. Với mô hình HV-Day, A= 1,7×10-14 m-2/ 3 và vận tốc gió v = 5,3m/ s 10
Hình 1.3. Tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ theo các giờ trong ngày được xác định từ
dữ liệu của trạm khí tượng thu thập được vào tháng 06 tại thành phố Hà Nội, Việt
Nam [72] ................................................................................................................... 12
Hình 1.4. Hàm mật độ xác suất của phâm bố L-N với các tham số chỉ số nhấp nháy
khác nhau .................................................................................................................. 16
Hình 1.5. Hàm mật độ xác xuất của phân bố G-G với các tham số chỉ số nhấp nháy
khác nhau .................................................................................................................. 18
Hình 1.6. Hàm mật độ xác xuất của phâm bố G-G và L-N với các tham số chỉ số
nhấp nháy khác nhau ................................................................................................ 19
Hình 1.7. Sự lệch vùng chùm tia tới với vùng khẩu độ máy thu [1] ........................ 20
Hình 2.1. Mô hình hệ thống FSO chuyển tiếp.......................................................... 30
Hình 2.2. Nút nguồn, nút chuyển tiếp và nút đích của hệ thống FSO chuyển tiếp .. 31
Hình 2.3. Hàm mật độ xác suất của phân bố L-N với trạm chuyển tiếp khác nhau . 35
Hình 2. 4. Hàm mật độ xác suất của phân bố G-G với trạm chuyển tiếp khác nhau 37
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 .................................................................................................................. 44
Hình 2.6. ASER biến đổi theo SNR của hệ thống với khoảng cách truyền
L = 6000 m sử dụng điều chế 4×4 QAM, 8×4 QAM và 8×8 QAM và số trạm
chuyển tiếp c = 0,1, 2 ............................................................................................... 45
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 ......................................................................................... 46
Hình 2.8. ASER biến đổi theo SNR với hệ thống với khoảng cách kênh truyền
L  3000 m , các mức điều chế 4×4 QAM, 8×4 QAM và 8×8 QAM, và số trạm
chuyển tiếp c = 0,1, 2 ............................................................................................... 46
Hình 2.9. ASER biến đổi theo bán kính tia tại phía phát 0 với các giá trị khác nhau
của bán kính khẩu độ thu r , khoảng cách truyền L = 1000 m,  s = 0,35 m,

SNR = 22 dB ............................................................................................................. 47

vii


Hình 2.10. ASER biến đổi theo bán kính tia tại phía phát 0 với các giá trị khác
nhau của  s , khoảng cách truyền L = 1000 m, r = 0,075 m, SNR = 22 dB ............. 48
Hình 2.11. ASER biến đổi theo  s , với các giá trị khác nhau của 0 , khoảng cách
truyền L = 1000 m, bán kính khẩu độ thu r = 0,055 m, SNR = 22 dB ...................... 49
Hình 2.12. ASER biến đổi theo  s , với các giá trị khác nhau của r , khoảng cách
truyền L = 1000 m, bán kính tia tại phía phát 0 = 0,022 m, SNR = 22 dB .............. 49
Hình 2.13. ASER biến đổi theo bán kính khẩu độ thu r , với các giá trị khác nhau
của  s , bán kính khẩu độ thu 0 = 0,022 m, L = 1000 m, SNR = 22 dB ................ 50
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 .................................. 51
Hình 2.15. ASER biến đổi theo  s , với các giá trị khác nhau của 0 , khoảng cách
truyền L = 1000 m, bán kính khẩu độ thu r = 0,055 m, SNR = 22 dB ..................... 52
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 ................... 52
Hình 2.17. ASER biến đổi theo bán kính khẩu độ thu r , với các giá trị khác nhau
của  s , bán kính khẩu độ thu 0 = 0,022 m, L = 1000 m, SNR = 22 dB ................ 53
Hình 2.18. ASER biến đổi theo SNR với khoảng cách kênh truyền L = 1000 m, bán
kính khẩu độ thu r = 0,055 m, bán kính tia tại phía phát 0 = 0,022 m .................. 53
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 .................................................................................................................. 59
Hình 2.20. ASE biến đổi theo SNR của kênh truyền FSO với nhiễu loạn khí quyển
từ yếu đến mạnh, khoảng cách kênh truyền L = 4000 m , và số trạm chuyển tiếp

c = 0,1, 2 .................................................................................................................. 59
Hình 2.21. ASE biến đổi theo số trạm lặp của kênh truyền FSO với nhiễu loạn khí
quyển từ yếu đến mạnh, khoảng cách kênh truyền L = 2000 m .............................. 60
Hình 2.22. ASE biến đổi theo số trạm lặp của kênh truyền FSO với nhiễu loạn khí
quyển từ yếu đến mạnh, khoảng cách kênh truyền L = 6000 m .............................. 60
Hình 2.23. ASE biến đổi theo SNR với các giá trị khác nhau của biến lệch tia,  s
trong điều kiện nhiễu loạn từ yếu đến mạnh, khoảng cách kênh truyền L = 2000 m
.................................................................................................................................. 61

viii


Hình 2.24. ASE biến đổi theo SNR với các giá trị khác nhau của biến lệch tia,  s
trong điều kiện nhiễu loạn từ yếu đến mạnh, khoảng cách kênh truyền L = 4000 m
.................................................................................................................................. 62
Hình 2.25. ASE biến đổi theo SNR với các giá trị của trạm chuyển tiếp và biến lệch
tia,  s trong điều kiện nhiễu loạn yếu, khoảng cách kênh truyền L = 2000 m ....... 62
Hình 2.26. ASE biến đổi theo SNR với các giá trị của trạm chuyển tiếp và biến lệch
tia,  s trong điều kiện nhiễu loạn yếu, khoảng cách kênh truyền L = 4000 m ....... 63
Hình 3.1. Mô hình hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật phân tập MIMO.66
Hình 3.2. Hàm pdf của sự biến đổi tín hiệu X với các giá trị khác nhau của trạm lặp
chuyển tiếp AF.......................................................................................................... 68
Hình 3.3. Hàm của sự biến đổi tín hiệu X với các bán kính vòng tròn khẩu độ thu
khác nhau .................................................................................................................. 69
Hình 3.4. ASER biến đổi theo SNR của hệ thống 2× 2 và 4×4 với khoảng cách
truyền L = 2000 m sử dụng điều chế 8×4 QAM và số trạm chuyển tiếp c = 0,1, 2
.................................................................................................................................. 73
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 ............................. 74

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 ........................... 75
Hình 3.7. 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 ........................... 75
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 ............ 76
Hình 3. 9. ASER biến đổi theo  s với các cấu hình khác nhau của hệ thống, khoảng
cách truyền L = 1000 m, bán kính tia tại phía phát 0 = 0,022 m, SNR = 23dB .... 77
Hình 3. 10. ASER biến đổi theo bán kính khẩu độ thu r , với các cấu hình SISO,

2× 2 và 4×4 , khoảng cách truyền L = 1000 m, SNR = 23dB .............................. 77
Hình 3. 11. ASER biến đổi theo bán kính khẩu độ thu r , với các cấu hình SISO,

2× 2 và 4×4 , khoảng cách truyền L = 1000 m, SNR = 23dB .............................. 78
Hình 3. 12. ASER biến đổi theo SNR với các cấu hình khác nhau của hệ thống,
khoảng cách truyền L = 1000 m,  s = 0,16 m r = 0,055 m, c = 1 .......................... 79
Hình 3. 13. ASER biến đổi theo khoảng cách kênh truyền L , với các cấu hình khác
nhau của hệ thống,  s = 0,16 m r = 0,055 m, SNR = 23dB .................................... 79
ix


Hình 3. 14. ASER biến đổi theo  s , với các cấu hình các cấu hình SISO, 2× 2 và
4× 4 , khoảng cách truyền L = 1000 m, bán kính tia 0 = 0,022 m, SNR = 23dB . 80

Hình 3. 15. ASER biến đổi theo bán kính khẩu độ thu r , với các cấu hình các cấu
hình SISO, 2× 2 và 4×4 , khoảng cách truyền L = 1000 m, SNR = 23dB ........... 81
Hình 3. 16. ASER biến đổi theo bán kính khẩu độ thu r , với các cấu hình các cấu
hình SISO, 2× 2 và 4×4 , khoảng cách truyền L = 1000 m, SNR = 23dB ........... 81
Hình 3. 17. ASER biến đổi theo SNR với các cấu hình các cấu hình SISO, 2× 2 và
4×4 MIMO của hệ thống, khoảng cách kênh truyền L = 1000 m, 0 = 0,022 m,

r = 0,055 m,  s = 0,08 m ......................................................................................... 82
Hình 3. 18. ASER biến đổi theo khoảng cách kênh truyền L , với các cấu hình
SISO, 2× 2 và 4×4 , 0 = 0,022 m, r = 0,055 m,  s = 0,08 m .............................. 83
Hình 3.19. ASE biến đổi theo SNR của hệ thống phân tập MIMO,

Cn2 = 3×10-14 m-2/ 3 khoảng cách kênh truyền L = 2000 m , số trạm chuyển tiếp
c = 0,1, 2 .................................................................................................................. 87
Hình 3.20. ASE biến đổi theo SNR của hệ thống phân tập MIMO,

Cn2 = 3×10-14 m-2/ 3 khoảng cách kênh truyền L = 4000 m , số trạm chuyển tiếp
c = 0,1, 2 .................................................................................................................. 87
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 ...................................................................................................... 88
Hình 3.22. ASE biến đổi theo SNR của kênh truyền SISO, 2×2 và 4×4 với nhiễu
loạn khí quyển từ yếu đến mạnh, L = 4000 m , và số trạm chuyển tiếp c = 1 .......... 88
Hình 3.23. ASE biến đổi theo số trạm lặp 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 ...... 89
Hình 3.24. ASE biến đổi theo số trạm lặp của kênh truyền SISO, 2×2 và 4×4 với
nhiễu loạn khí quyển từ yếu đến mạnh, khoảng cách kênh truyền L = 4000 m ...... 90
Hình 3.25. ASE biến đổi theo SNR với nhiễu loạn yếu của khí quyển, khoảng cách
kênh truyền L = 4000 m, c = 0 ................................................................................. 90
Hình 3.26. ASE biến đổi theo SNR với nhiễu loạn yếu của khí quyển, khoảng cách
kênh truyền L = 4000 m, c = 1 ................................................................................. 91
Hình 3.27. ASE biến đổi theo SNR với nhiễu loạn yếu của khí quyển, khoảng cách
kênh truyền L = 4000 m, c = 2 ................................................................................. 91

x

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Một số loại nguồn quang sử dụng trong FSO [79] .................................... 3
Bảng 1.2. Phân bố các loại khí tiêu biểu kênh truyền khí quyển [69] ........................ 4
Bảng 1.3. Các bộ tách quang sử dụng phổ biến trong FSO [69] ................................ 6
Bảng 1.4. Trọng số Wth tương ứng với các khoảng thời gian [65].......................... 11
Bảng 2.1. Thông số tầm nhìn theo sự phân bố kích thước hạt ................................. 33
Bảng 2.2. Các thông số đánh giá hệ thống ............................................................... 43
Bảng 3.1. Các thông số đánh giá hệ thống ............................................................... 72

xi


CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN
Ký hiệu

Nghĩa tiếng việt

A

Diện tích mặt thu của bộ thu

A0

Tỷ lệ công suất thu được tại r = 0

B

Băng thông quang

C

Dung lượng kênh trung bình

Cn2

Tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ

c

Số trạm chuyển tiếp

D

Đường kính thấu kính thu

E

Điện trường

erf ( x)

Hàm lỗi

erfc( x)

Hàm lỗi bù

FX ( x)

Hàm tích lũy của biến x

f X ( x)

Hàm mật độ xác suất của biến x

G pm qn 

Hàm Meijer G với các số nguyên m, n, p, q

I

Cường độ trường

i

Đơn vị số ảo

K v ()

Hàm Bessel sửa đổi loại 2 bậc 

k

Số sóng

L

Tổng khoảng cách truyền dẫn

M I M Q

Số mức điều chế

M

Số bộ phát sóng quang ở phía phát

N

Số bộ tách sóng quang ở phía thu
xii


N0

Mật độ công suất nhiễu

Ps

Công suất phát trung bình trên kí tự

Q()

Hàm Gauss-Q



Đáp ứng của bộ tách quang

r

Bán kính thấu kính thu

SI

Chỉ số nhấp nháy

X

Tham số trạng thái kênh

Xa

Hệ số kênh phản ánh nhiễu loạn khí quyển

Xl

Hệ số kênh đặc trưng cho ảnh hưởng của tổn hao

Xp

Hệ số kênh phản ánh tổn hao hình học và lệch hướng

V

Dải tầm nhìn

l

Hệ số suy hao trong không khí

s

Độ lệch chuẩn jitter (lệch hướng thu – phát)

()

Hàm Gamma



Bước sóng tia truyền



Hệ số điều chế

 I2

Phương sai cường độ trường

 s2

Phương sai jitter tại phía thu

 x2

Phương sai log-biên độ (tham số Rytov)

 N2

Phương sai chuẩn hóa



Tỷ số tín hiệu trên nhiễu



Thông số hiệu ứng tán xạ



Thông số hiệu ứng khúc xạ
xiii




Hiệu suất lượng tử
Trung bình chung



Vectơ bán kính từ tâm búp sóng quang

0

Độ dài kết hợp

zeq

Bán kính tia tương đương

0

Độ rộng búp sóng quang tại z = 0

z

Độ rộng búp sóng quang tại khoảng cách z

xiv


MỞ ĐẦU
1. Bối cảnh nghiên cứu
Truyền thông quang không dây (Wireless Optical Communications_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 [51], [72]. 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 (Infrared Radiation_IR) và hệ thống truyền thông sử
dụng bước sóng ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communication_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 (Free-Space
Optical_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 (Line-OfSight_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.
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 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 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 [51].
xv


Những năm 1960 với sự tìm ra các nguồn quang LED, Laser đã đánh dấu sự
phát triển của công nghệ FSO, hàng loạt các nghiên cứu về FSO đã được thực hiện
từ những năm đầu 1960 đến những năm 1970. Các tuyến FSO đã triển khai thực
hiện các liên kết tốc độ cao giữa các tòa nhà, các video an ninh theo dõi và giám sát
tốc độ cao, kết nối đường trục cho các mạng di động thế hệ tiếp theo, các kết nối
khắc phục thảm họa và các kết nối từ mặt đất tới vệ tinh [3], [14], [78]. Các thí
nghiệm kết nối giữa các vệ tinh [26] của châu Âu thực hiện truyền dữ liệu thông
qua một liên kết quang giữa các vệ tinh SPOT-4 và Artemis đạt được tốc độ truyền
dữ liệu là 50 Mbps [26], kết nối tuyến FSO giữa mặt đất – vệ tinh được tiến hành

giữa vệ tinh ETS-VI và trạm mặt đất quang học (OGS) ở Konegi, Nhật Bản [53].
Để có thể đáp ứng yêu cầu truyền thông băng rộng và đạt được 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 yếu tố thời tiết như sương mù, gió, mưa và
tuyết. Một số vấn đề khó khăn trong việc triển khai các hệ thống FSO trong thực tế
bao gồm các tác động của sự tán xạ, hấp thụ, nhiễu loạn khí quyển và lỗi lệch tia thu
phát. Trong các yếu tố tác động này, nhiễu loạn của khí quyển và lỗi lệch tia là
những yếu tố tác động lớn nhất và chúng được nghiên cứu nhiều nhất trong các hệ
thống truyền thông quang không dây.
Nhiễu loạn khí quyển có nguyên nhân từ sự không đồng nhất về nhiệt độ và áp suất
khí quyển, mô hình đầy đủ về nhiễu loạn khí quyển được trình bày trong [3], [47].
Nhiễu loạn khí quyển được đặc trưng chủ yếu bởi tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ
(Cn2 ). Các mô hình thực nghiệm thể hiện cường độ nhiễu loạn khí quyển qua tham

số Cn2 được trình bày trong [51]. Một số nghiên cứu điển hình về đánh giá ảnh
hưởng của nhiễu loạn khí quyển đến hiệu năng của hệ thống thông qua tham số tỷ lệ
lỗi bít (Bit Error Rate_BER) như: mô hình nhiễu loạn Nakagami-m sử dụng điều
chế biên độ cầu phương (Quadrature Amplitude Modulation_QAM) [4], mô hình
Gamma-Gamma sử dụng điều chế cường độ tách sóng trực tiếp (Intensity
Modulation/Direct Detection_IM/DD) [20], [28]; mô hình Gamma-Gamma sử dụng
điều chế khóa dịch pha (Phase-shift Keying_PSK) [38] và điều chế biên độ cầu
phương QAM [41]. Các nghiên cứu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển đến hiệu
năng của hệ thống qua tham số dung lượng kênh trung bình (Average Channel
Capacity_ACC) như: sử dụng mô hình nhiễu loạn Log-Normal được trình bày trong
các nghiên cứu [5], [6], đánh giá dung lượng kênh sử dụng các cấu hình phân tập
khác nhau [7]; sử dụng mô hình kênh Gamma-Gamma kết hợp với kỹ thuật nhiều
xvi


đầu vào nhiều đầu ra (Multipe-Input Multipe-Output_MIMO) được phân tích trong

[12]; sử dụng mô hình kênh Log-Normal và Gamma-Gamma được khảo sát trong
[32]. Ngoài ra các công trình nghiên cứu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển đến
hiệu năng của hệ thống qua tham số tỷ lệ lỗi ký tự trung bình (Average Symbol
Error Rate_ASER) sử dụng điều chế QAM và kỹ thuật MIMO được đánh giá trong
[30], [31], hay sử dụng điều chế QAM được thể hiện trong [41]. Các nghiên cứu
đánh giá hiệu năng của hệ thống FSO dưới sự nhiễu loạn của khí quyển chủ yếu tập
trung vào hệ thống FSO điểm-điểm, thường tập trung sử dụng các giải pháp kỹ
thuật một cách riêng lẻ và trong một điều kiện nhiễu loạn nhất định mà chưa có sự
kết hợp nhiều giải pháp kỹ thuật đồng thời, dẫn đến khả năng cải thiện hiệu năng hệ
thống còn hạn chế.
Lỗi lệch tia hay còn được gọi là tổn hao lệch hướng là một dạng tổn hao bắt
nguồn từ sự lệch hướng tia truyền giữa máy phát và máy thu. Sự lệch tia xảy ra do
sự trôi búp [47], sự rung lắc của các điểm đặt máy thu phát trên các tòa nhà [10].
Điểm thu phát hệ thống FSO được đặt ở các vị trí cao của các tòa nhà, nên chịu sự
tác động của gió, giãn nở nhiệt của các tòa nhà, động đất dẫn đến lỗi lệch tia đường
truyền LOS của hệ thống. Ảnh hưởng của lỗi lệch tia đến dung lượng kênh được
trình bày trong các nghiên cứu [1], [2], [44]. Trong công bố [1] và [2] nhóm tác giả
nghiên cứu ảnh hưởng của lỗi lệch tia lên hiệu năng hệ thống FSO điểm-điểm, tuy
nhiên hệ thống này không sử dụng các trạm chuyển tiếp nên khoảng cách đường
truyền còn hạn chế khi lỗi lệch tia tăng lên. Trong công bố [44], S. Tombras và
cộng sự nghiên cứu ảnh hưởng của lệch tia lên hiệu năng hệ thống FSO chuyển tiếp,
tuy nhiên phương thức điều chế sử dụng là kỹ thuật đóng-mở khóa (On-Off
Keying_OOK) mà chưa xét đối với các phương thức điều chế tiên tiến đang được
nghiên cứu hiện nay. Đánh giá hiệu năng hệ thống sử dụng điều chế OOK dưới ảnh
hưởng của lỗi lệch tia có thể được tìm thấy trong các công trình [13], [23], [36]
cũng như ảnh hưởng lỗi lệch tia lên tham số BER [27], [64] và ảnh hưởng của lỗi
lệch tia lên tham số ASER [49] của hệ thống FSO. Ngoài ra, ảnh hưởng của lỗi lệch
tia đến hiệu năng của hệ thống FSO với các mô hình kênh nhiễu loạn được đánh giá
qua tham số dung lượng kênh trung bình ACC sử dụng mô hình Log-Normal được
nghiên cứu trong [5], [6], [73]; tham số tỷ lệ lỗi ký tự trung bình ASER sử dụng

điều chế QAM [30], [31]; sử dụng điều chế PPM [54]; mô hình Nakagami [4], [29],
mô hình I-K [21], [35], [46]. Và đặc biệt trong môi trường nhiễu loạn mạnh, hiệu
năng hệ thống này sử dụng mô hình Gamma-Gamma với các phương thức điều chế
khác nhau được phân tích trong [11], [28], [34], [38], [60]. Các nghiên cứu đánh giá
xvii


hiệu năng hệ thống FSO dưới sự ảnh hưởng của lỗi lệch tia này hầu hết đối với hệ
thống FSO điểm-điểm. Các kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống FSO cho thấy,
chúng chịu ảnh hưởng một cách đáng kể của nhiễu loạn khí quyển và lỗi lệch tia.
Dưới ảnh hưởng của các yếu tố này, để đảm bảo hiệu năng truyền dẫn ở mức
ngưỡng cho phép, các hệ thống FSO chỉ nên giới hạn cự ly truyền dẫn trong khoảng
vài km.
Nhằm giảm ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển và lệch tia, kỹ thuật phân tập
MIMO sử dụng nhiều Laser tại phía phát và nhiều bộ tách sóng quang tại phía thu
gần đây đã được đề xuất cho hệ thống FSO. Đây là một giải pháp nhằm giảm ảnh
hưởng của nhiễu loạn khí quyển và lỗi lệch tia lên hiệu năng của hệ thống FSO. Các
nghiên cứu về hiệu năng của hệ thống với kênh truyền MIMO đối với hệ thống FSO
khi chưa xét ảnh hưởng của lỗi lệch tia gồm có: (1) tham số BER được đánh giá
trong các công trình nghiên cứu [16], [17], [18], [19], [20], [42], [52], [60]. Trong
các nghiên cứu này, hiệu năng của hệ thống được đánh giá dưới ảnh hưởng của
nhiễu loạn khí quyển và các phương thức điều chế khác nhau. Cụ thể, trong nghiên
cứu [17] sử dụng điều chế OOK, trong nghiên cứu [20] sử dụng điều chế IM/DD.
Hiệu năng hệ thống FSO trong các nghiên cứu này đã cải thiện đáng kể khi sử dụng
kỹ thuật MIMO, tuy nhiên để đảm bảo hiệu năng yêu cầu thì khoảng cách đường
truyền vẫn còn hạn chế. Trong các nghiên cứu [30], [31], các tác giả đã đánh giá
ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển lên hiệu năng hệ thống thông qua tham số
ASER sử dụng phương thức điều chế biên độ cầu phương sóng mang con
(Subcarrier – Quadrature Amplitude Modulation_SC-QAM) và kỹ thuật MIMO, tuy
nhiên không sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp. (2) Tham số dung lượng kênh trung bình

ACC được đánh giá trong [59], [70], sử dụng kỹ thuật MIMO không sử dụng trạm
chuyển tiếp. Trường hợp hệ thống sử dụng kỹ thuật MIMO có xét đến ảnh hưởng
của lỗi lệch tia đã được đánh giá trong các nghiên cứu [2], [8], [12], [49], trong đó
các tác giả đã phân tích được việc sử dụng kỹ thuật MIMO cũng như dưới tác động
của nhiễu loạn khí và lỗi lệch tia lên hiệu năng của hệ thống đã tăng lên rất đáng kể,
điều đó đồng nghĩa với khoảng cách kênh truyền của hệ thống đã được mở rộng.
Ngoài ra, để giảm thiểu các tác động của nhiễu loạn khí quyển, hệ thống FSO
sử dụng các trạm chuyển tiếp đã được đề xuất như là một giải pháp đầy hứa hẹn để
mở rộng khoảng cách kênh truyền. Các phương pháp tiếp cận phổ biến được nghiên
cứu là khuếch đại và chuyển tiếp (AF) [43], [44], [50], [55], [56], [67]; giải mã và
chuyển tiếp (DF) [33], [49], [57], [61]. Trong nghiên cứu [67], T. A. Tsiftsis và các
cộng sự đã đánh giá xác suất lỗi cho hệ thống FSO đa chặng xét cho mô hình K và
xviii


mô hình Gamma-Gamma mà không tính đến suy hao đường truyền. Trong nghiên
cứu [57], xác suất lỗi của hệ thống chuyển tiếp được tính toán trên cơ sở xem xét cả
suy hao đường truyền và ảnh hưởng của nhiễu loạn. Nghiên cứu trong [50] chỉ ra
rằng xác suất lỗi được giảm thiểu khi các nút liên tiếp được đặt cách đều nhau dọc
theo đường truyền. Kết quả của các nghiên cứu đã chứng minh rằng truyền dẫn FSO
chuyển tiếp có các ưu điểm là cải thiện đáng kể hiệu năng. Các khảo sát hiệu năng
của hệ thống FSO chuyển tiếp với các tham số hiệu năng và điều kiện nhiễu loạn
khác nhau nhưng không xét đến ảnh hưởng của lệch tia đã được nghiên cứu trong
[11], [24], [25], [33], [39], [43], [55], [58], [69], các nghiên cứu này đã chứng minh
tính hữu ích của truyền dẫn chuyển tiếp là một phương pháp để mở rộng cự ly
truyền dẫn, nhưng không nhấn mạnh nó là một kỹ thuật chống lại các ảnh hưởng
của pha-đinh. Gần đây có một số nghiên cứu về hệ thống FSO chuyển tiếp và có xét
đến ảnh hưởng của lệch tia thu phát [44], [77], tuy nhiên các nghiên cứu đánh giá
hiệu năng hệ thống FSO có đầy đủ các tham số đường truyền sử dụng phương thức
điều chế SC-QAM là chưa được thực hiện. Các nghiên cứu về chuyển tiếp AF trong

các hệ thống FSO xây dựng trên giả thiết rằng các nút chuyển tiếp sử dụng các bộ
chuyển đổi quang-điện (O/E) và điện-quang (E/O). Ưu điểm của chuyển tiếp AF so
với DF là đơn giản và tránh được yêu cầu về tốc độ cao trong thiết kế các mạch
quang điện tử và điện tử.
Kênh truyền FSO đóng vai trò hết sức quan trọng trong nghiên cứu về hiệu
năng hệ thống FSO do hầu hết các yếu tố ảnh hưởng lên hiệu năng hệ thống là từ
kênh truyền. Mặc dù đã có nhiều công trình nghiên cứu về mô hình hóa kênh FSO
nhưng chưa có nghiên cứu nào về hệ thống FSO chuyển tiếp phản ánh một cách đầy
đủ các ảnh hưởng của đường truyền bao gồm tổn hao, nhiễu loạn, lệch hướng. Hạn
chế lớn nhất của hệ thống FSO hiện nay là cự ly truyền dẫn, việc tăng cự ly truyền
dẫn không chỉ làm tăng suy hao đường truyền mà còn làm tăng nhiễu loạn và lệch
hướng. Trong các giải pháp cải thiện hiệu năng, truyền dẫn chuyển tiếp là một giải
pháp hiệu quả nhất trong việc cải thiện cự ly của hệ thống FSO. Truyền dẫn chuyển
tiếp cũng giúp loại bỏ yêu cầu về đường truyền tầm nhìn thẳng giữa nút nguồn và
nút đích. Kỹ thuật MIMO sử dụng cho hệ thống FSO chuyển tiếp giúp giảm ảnh
hưởng của lệch tia lên hiệu năng hệ thống.

2. Những vấn đề còn tồn tại
Các nghiên cứu trước đây thực hiện cải thiện hiệu năng của hệ thống FSO
thường tập trung sử dụng các giải pháp kỹ thuật một cách riêng lẻ mà chưa có sự kết
xix


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, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
 Mục tiêu nghiên cứu của luận án bao gồm:
- 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. Để đạt được mục tiêu này, luận án cần phải xây
dựng được mô hình giải tích để mô hình hóa kênh truyền khí quyển và khảo sát hiệu
năng của hệ thống sử dụng các kỹ thuật tiên tiến nhằm cải thiện hiệu năng cho hệ
thống này.
- Nghiên cứu, xây dựng biểu thức toán học các tham số hiệu năng của hệ
thống từ các kỹ thuật cải thiện hiệu năng đã được đề xuất cho hệ thống truyền thông
quang không dây FSO.
 Đối tượng nghiên cứu của luận án:
Hệ thống truyền thông quang không dây FSO chuyển tiếp khuếch đại AF
trong miền điện sử dụng điều chế biên độ cầu phương sóng mang con (SC-QAM).
 Phạm vi nghiên cứu của luận án:
- Luận án tập trung nghiên cứu đánh giá hiệu năng của hệ thống truyền thông
quang không dây FSO chuyển tiếp với kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (trong
miền điện).

xx


- Hiệu năng của hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC-QAM dưới

ảnh hưởng của lỗi lệch tia được đánh giá bằng các tham số: tỷ lệ lỗi ký tự trung bình
(ASER) và dung lượng kênh trung bình (ACC).

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Nghiên cứu đánh giá hiệu năng của hệ thống FSO chuyển tiếp dưới ảnh hưởng
của lỗi lệch tia có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn:


Ý nghĩa khoa học: Trong các kết quả của luận án, nghiên cứu sinh hướng tới

xây dựng các mô hình giải tích để mô hình hóa kênh truyền khí quyển, các công
thức của các tham số hiệu năng để đánh giá phẩm chất của hệ thống truyền dẫn FSO
với các tham số hệ thống và điều kiện đường truyền khác nhau. Các mô hình giải
tích và tham số hiệu năng sẽ là công cụ hỗ trợ cho những nghiên cứu tiếp theo, cho
việc thiết kế, đánh giá tính khả thi và độ tin cậy của hệ thống FSO.
 Ý nghĩa thực tiễn: Các giả pháp mà luận án đưa ra nhằm cải thiện hiệu năng
của hệ thống FSO, cụ thể là tăng khoảng cách đường truyền điểm-điểm và dung
lượng của hệ thống, góp phần thúc đẩy quá trình triển khai ứng dụng công nghệ
FSO trong tương lai.

5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết dựa trên mô hình giải tích với các công cụ toán học kết
hợp với mô phỏng. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết được sử dụng cho các nghiên
cứu về nguyên lý hoạt động và mối liên hệ, ảnh hưởng của các tham số hiệu năng
của hệ thống như: điều chế, giải điều chế, ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển, lỗi
lệch tia, bán kính chùm tia phát, khẩu độ thấu kính máy thu, khoảng cách kênh
truyền.vv… và mô hình kênh của hệ thống FSO.
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với công cụ phần mềm được sử
dụng trong việc khảo sát, đánh giá hiệu năng các hệ thống FSO.

6. 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.

xxi