Nghiên cứu đặc tính của hệ thống mmwrof truy cập quang vô tuyến băng tần siêu cao cho thông tin di động thế hệ mới

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGÔ BÁ TOÀN

TRƯỜNG
TRẦN
HỮU ĐẠI
LỘCHỌC BÁCH KHOA

NGÔ BÁ TOÀN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

C
C

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG
MMW/RoF TRUY CẬP QUANG – VÔ TUYẾN
BĂNG TẦN SIÊU CAO CHO THÔNG TIN DI ĐỘNG
THẾ HỆ MỚI

R
L
T.

DU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NĂM 2019
Đà Nẵng – Năm 2019

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGÔ BÁ TOÀN

C
C

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG
MMW/RoF TRUY CẬP QUANG – VÔ TUYẾN BĂNG
TẦN SIÊU CAO CHO THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI

R
L
T.

DU

Chuyển nghành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số: 8520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Người hướng dẫn khoa hoc:
1. PGS.TS. NGUYẾN VĂN TUẤN
2. PGS.TS. NGUYẾN LÊ HÙNG

Đà Nẵng – Năm 2019

1
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung của luận văn “Nghiên cứu đặc tính của hệ thống
MMW/RoF truy cập quang - vô tuyến băng tần siêu cao cho thông tin di động thế
hệ mới” không phải là bản sao chép của bất cứ luận văn hoặc công trình đã có từ
trước. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Đà Nẵng, ngày 26 tháng 7 năm 2019
Học viên thực hiện

C
C

DU

R
L
T.

Ngô Bá Toàn


2
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1
MỤC LỤC ...................................................................................................................2
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................8

DANH MỤC BẢNG .................................................................................................11
DANH MỤC HÌNH ..................................................................................................12
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................14
1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................14
2. Mục tiêu nghiên cứu..............................................................................................15
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .........................................................................15

C
C

3.1. Đối tượng nghiên cứu.........................................................................................15

R
L
T.

3.2. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................16

DU

4. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................................16
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ..............................................................16
6. Kết cấu luận văn ....................................................................................................17
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MMW/RoF TRUY CẬP QUANG –
VÔ TUYẾN ..............................................................................................................18
1.1. Giới thiệu chương ..........................................................................................18
1.2. Khái niệm về kỹ thuật truyền sóng vô tuyến qua sợi quang (RoF) ...............18
1.3. Các thành phần cơ bản RoF ...........................................................................20
1.3.1. Trạm trung tâm-Central Station (CS)......................................................20
1.3.2. Trạm gốc - Base Station (BS) .................................................................20

1.3.3. Thiết bị di động - Mobile Host (MH) .....................................................20
1.3.4. Sợi quang.................................................................................................20
1.4. Kỹ thuật truyền dẫn RoF ................................................................................21
1.4.1. Các kỹ thuật điều chế tại đầu phát ..........................................................21


3
1.4.1.1. Kỹ thuật điều chế trực tiếp (Direct Modulation – DM) .....................21
1.4.1.2. Kỹ thuật điều chế ngoài (External Modulation) ................................22
1.4.2. Các kỹ thuật tách sóng tại đầu thu ..........................................................23
1.4.2.1. Kỹ thuật tách sóng trực tiếp ...............................................................23
1.4.2.2. Kỹ thuật tách sóng Coherence ...........................................................24
1.5. Những ưu - khuyết điểm của RoF ..................................................................25
1.5.1. Ưu điểm ...................................................................................................25
1.5.2. Khuyết điểm ............................................................................................27
1.6. Thông tin di động thế hệ mới (5G) ................................................................27
1.7. Kết luận chương .............................................................................................28

C
C

CHƯƠNG 2. CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG Ở PHẦN QUANG ...........30

R
L
T.

2.1. Giới thiệu chương ..........................................................................................30
2.2. Khái niệm kỹ thuật RoF sử dụng khuếch đại quang và máy thu tách sóng trực

DU

tiếp .........................................................................................................................30
2.2.1. Giới thiệu.................................................................................................30
2.3. Máy thu tách sóng trực tiếp sử dụng photodiode PIN và APD......................32
2.4. Khái niệm và nguyên lý hoạt động bộ khuếch đại EDFA .............................34
2.4.1. Khuếch đại quang EDFA .......................................................................34
2.4.2. Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại EDFA .....................................35
2.5. Hệ số khuếch đại của EDFA ..........................................................................37
2.6. Ưu điểm và nhược điểm của EDFA ...............................................................37
2.6.1. Ưu điểm ...................................................................................................37
2.6.2. Nhược điểm .............................................................................................37
2.7. Các loại nhiễu trong máy thu quang tách sóng trực tiếp trong hệ thống sử
dụng bộ khuếch đại EDFA ....................................................................................38
2.7.1. Nhiễu bắn ................................................................................................38
2.7.2. Nhiễu nhiệt ..............................................................................................38


4
2.7.3. Nhiễu phách giữa ASE và tín hiệu quang ...............................................39
2.8. Những ưu điểm và nhược điểm của hệ thống quang sử dụng máy thu tách
sóng trực tiếp .........................................................................................................40
2.8.1. Ưu điểm ...................................................................................................40
2.8.2. Nhược điểm .............................................................................................40
2.9. Kết luận chương .............................................................................................41
CHƯƠNG 3. CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG Ở PHẦN VÔ TUYẾN .....42
3.1. Giới thiệu chương ..........................................................................................42
3.2. Giới thiệu kênh truyền sóng trong môi trường không gian tự do ..................42
3.3. Các hiện tượng xảy ra trong lan truyền sóng .................................................42

C
C

3.3.1. Phản xạ ....................................................................................................42

R
L
T.

3.3.2. Khúc xạ ...................................................................................................42

DU

3.3.3. Nhiễu xạ ..................................................................................................43
3.3.4. Fading ......................................................................................................43
3.4. Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng lan truyền sóng trong không gian
tự do.......................................................................................................................44
3.4.1. Hiện tượng truyền sóng đa đường ...........................................................44
3.4.2. Suy hao trên đường truyền ......................................................................45
3.4.3. Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) ............................................................45
3.5. Kênh truyền theo phân bố Rayleigh ...............................................................46
3.6. Các khối trong Mobile Host ...........................................................................47
3.6.1. Bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA) ............................................................47
3.6.2. Bộ trộn tần (MIX) ...................................................................................48
3.6.3. Bộ khuếch đại trung tần (MPA) ..............................................................48
3.7. Biểu thức tính SNDR và BER dùng trong đường truyền quang - vô tuyến ..48
3.8. Kết luận chương .............................................................................................53


5

CHƯƠNG 4. KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT
QUẢ ..........................................................................................................................54
4.1. Giới thiệu chương ..........................................................................................54
4.2. Mô hình hệ thống MMW/RoF truy cập quang - vô tuyến sử dụng bộ khuếch
đại quang EDFA và máy thu tách sóng trực tiếp ..................................................54
4.3. Kết quả khảo sát đặc tính hệ thống, phân tích và nhận xét ............................56
4.3.1. Khảo sát tỉ lệ lỗi bit BER theo công suất phát tại đầu ra của bộ MZM
(Pphát) .................................................................................................................56
4.3.2. Khảo sát tỉ lệ lỗi bit BER theo tần số vô tuyến có băng tần siêu cao
(MMW) .............................................................................................................59

C
C

4.3.3. Khảo sát tỉ lệ lỗi bit BER theo khoảng cách vô tuyến từ trạm BTS đến

R
L
T.

điện thoại di động ..............................................................................................60
4.4. Kết luận chương .............................................................................................63

DU

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..................................................65
Kết luận .................................................................................................................65
Hướng phát triển đề tài..........................................................................................65
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................67
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỂ TÀI .................................................................................69

PHỤ LỤC ..................................................................................................................70


6
NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG MMW/RoF
TRUY CẬP QUANG – VÔ TUYẾN BĂNG TẦN SIÊU CAO
CHO THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI
Học viên: Ngô Bá Toàn. Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử.
Mã số: 8520203. Khóa: K36. Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng.
Tóm tắt – Ngày nay, nhu cầu truyền thông ngày càng lớn với nhiều dịch vụ
mới băng rộng/tốc độ cao và đa phương tiện trong đời sống của từng quốc gia cũng
như kết nối toàn cầu.
Để thúc đẩy sự phát triển của kỷ nguyên thông tin, mạng truyền thông cần
phải có khả năng linh hoạt cao, tốc độ truyền dẫn lớn, băng thông rộng, đa dịch vụ.
Vì lý do đó, kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu vô tuyến qua sợi quang (gọi tắt là RoF) ra

C
C

đời kết hợp truyền dẫn quang với sóng vô tuyến băng tần siêu cao, sử dụng tần số

R
L
T.

sóng Milimet nhằm tạo ra một mạng lưới thông tin linh hoạt, băng thông rộng đáp
ứng yêu cầu truyền dẫn thông tin đa dịch vụ tốc độ cao, làm nền tảng cho mạng truy

DU

nhập băng rộng trong tương lai cũng như công nghệ IoT.
Đề tài “Nghiên cứu đặc tính của hệ thống MMW/RoF truy cập quang - vô
tuyến băng tần siêu cao cho thông tin di động thế hệ mới” nhằm nghiên cứu, khảo
sát và đánh giá hiệu quả của hệ thống đáp ứng với nhu cầu truy cập thông tin di
động thế hệ mới với tốc độ bít cao, băng tần rộng.
Luận văn trình bày các nội dung theo trình tự sau: Đầu tiên trình bày tổng
quan về kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu vô tuyến qua sợi quang với tần số sóng Milimet
(MMW/RoF; thứ 2 là mô tả hệ thống MMW/RoF sử dụng máy thu tách sóng trực
tiếp và khuếch đại quang EDFA để tăng khoảng cách truyền dẫn đến 150 km; thứ 3
là mô hình nghiên cứu hệ thống MMW/RoF truy cập quang - vô tuyến băng tần siêu
cao cho thông tin di động thế hệ mới, tính toán các thông số nhiễu ảnh hưởng đến
hệ thống, tính toán SNR, BER và cuối cùng là khảo sát đặc tính của hệ thống và
đánh giá kết quả đạt được.
Từ khóa – Radio - over - Fiber (RoF), Millimeter - wave (MMW), EDFA,
Broadband optical/wireless access networks.


7
STUDYING THE PERFORMANCE OF ULTRA-HIGH-BANDWIDTH
OPTICAL-WIRELESS ACCESS MMW/RoF SYSTEM FOR NEW
GENERATION MOBILE COMMUNICATIONS
Abstract – Today, the demand for communication is growing with many new
broadband/high-speed and multimedia services in our country's life as well as
global connectivity.
To promote the development of the information age, communication
networks need to be highly flexible, high transmission rates, broadband, and multiservice. For that reason, Radio signal transmission technology over Fiber optics
(referred to RoF) was established to combine optical transmission with ultra-highfrequency radio waves, using the Milimeter wave frequency to create flexible and

C
C

broadband communication network that meets the requirements of high-speed

R
L
T.

multi-service communication and will become the platform for future broadband
access networks as well as IoT technology.

DU

The topic "Study the performance of ultra-high-bandwidth optical-wireless
access MMW/RoF system for new generation mobile communication" to study,
investigate and evaluate the effectiveness of the system to meet the needs of new
generation mobile communication with high bit rate, wide band.
Firstly, an overview of the Radio signal transmission technology over Fiber
optics with the millimeter frequency (MMW/RoF) is presented. Then, the
MMW/RoF system using a direct detection receiver and EDFA to increase the
transmission distance to 150km is showed. Next, the calculating model of the
MMW/RoF ultra-high-bandwidth optical-wireless access system for new generation
mobile communication is presented to calculate the noise parameters affecting the
system, calculate SNR, BER. Finally, the characteristics of the system is
investigated and their achieved results are evaluated.
Key words – Radio-over-Fiber (RoF), Millimeter-wave (MMW), EDFA,
Broadband optical/wirelessaccess networks.


8
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Kí hiệu

Ý nghĩa

Từ Tiếng Anh
A

AFC
ASE
ASK

Tự động điều khiển tần số

Automatic Frequency Control
Amplified Spontaneous

Nhiễu phát xạ tự phát

Emission

Kỹ thuật điều chế khóa dịch biên độ

Amplitude Shift Keying
B

Khuếch đại công suất

BA

Booster Amplifier

BB

Baseband

BER

Bit Error Rate

BS

Base Station

BPF

Band Pass Filter

Bộ lọc băng thông

BTS

Base Transceiver Station

Trạm thu phát gốc

C
C

Băng cơ sở

R
L
T.

DU

Tỷ lệ lỗi bit
Trạm gốc

C
CS

Central Station

Trạm trung tâm
D

DEMUX
DPSK
DSF

Demultiplexer

Bộ tách tín hiệu

Differential Phase Shift

Điều chế pha vi phân

Keying

Dispersion Shift Fiber

Sợi dịch chuyển tán sắc
E

EDF

Erbium Doped Fiber

Sợi pha tạp Erbium
Bộ khuếch đại sợi quang pha tạp

EDFA

Erbium Doped Fiber Amplifier
Erbium


9

F
FWM

Trộn bốn bước sóng

Four Wave Mixing
I

IF

Intermediate Frequency

Tần số trung tần

Intensity Modulation – Direct

Điều chế cường độ - Tách sóng trực

Detection

tiếp

IM-DD
L
LA

Line Amplifier

Khuếch đại đường truyền

LD

Laser Diode

Laser Diode

LO

Local Oscillator

LAN

Local Area Network

C
C

Bộ dao động nội

R
L
T.

Mạng cục bộ

M

MMF

Multimode Fiber

Sợi quang đa mode

MUX

DU
Multiplexer

Bộ ghép kênh

MZM

Mach-Zehnder Modulator

Bộ điều chế ngoài Mach-Zehnder
P

PA

Pre-amplifier

Tiền khuếch đại

PD

Photodiode

Photodiode

PoF

Plastic optical fiber

Sợi quang chất dẻo

PSK

Phase-shift keying

Điều chế khóa dịch pha

R

RF

Radio Frequency

Tần số cao tần

RAU

Remote Antenna Unit

Thiết bị anten đầu xa

RoF

Radio over Fiber

Kỹ thuật truyền tín hiệu vô tuyến trên
sợi quang


10

S
SBS

Stimulated Brillouin

Tán xạ Brillouin kích thích

Scattering

SCM

Subcarrier Multiplexing

Ghép sóng mang phụ

SMF

Single Mode Fiber

Sợi quang đơn mode

SNR

Signal-to-Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SPM

Self Phase Modulation

Tự điều chế pha

SRS

Stimulated Raman Scattering

Tán xạ Raman kích thích

T
TDM

Time Divison Multiplexing

R
L
T.
U

UMTS

WAN

Universal Mobile

DU

Mạng di động thế hệ thứ 3 (3G)

Telecommunication System

W

Wide Area Network

Mạng diện rộng

Wavelength Division

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo

Multiplexing

bước sóng

Wireless Local Area Network

Mạng cục bộ không dây

WDM
WLAN

C
C

Ghép kênh phân chia theo thời gian

X
XPM

Cross Phase Modulation

Điều chế pha chéo


11

DANH MỤC BẢNG

Số hiệu

Tên bảng

Trang

Bảng 4.1.

Các thông số thiết lập cho hệ thống MMW/RoF

55

C
C

DU

R
L
T.


12
DANH MỤC HÌNH
Hình 1. 1 Hệ thống RoF truy cập quang - vô tuyến ....................................................... 18
Hình 1. 2 Hệ thống quang - vô tuyến hai hướng tiêu biểu ............................................. 19
Hình 1. 3 CS và một microcell (BS và MS) trong kiến trúc RoF. ................................. 21
Hình 1. 4 Kỹ thuật điều chế trực tiếp ............................................................................. 21

Hình 1. 5 Kỹ thuật điều chế ngoài.................................................................................. 22
Hình 1. 6 Kỹ thuật tách sóng tại đầu thu. ....................................................................... 23
Hình 1. 7 Kỹ thuật tách sóng trực tiếp. .......................................................................... 24
Hình 1. 8 Kỹ thuật tách sóng Coherence. ...................................................................... 25
Hình 2. 1 Sơ đồ khối tổng quát của máy thu quang. ...................................................... 31

C
C

Hình 2. 2 Mô hình tổng quát bộ khuếch đại quang EDFA. ........................................... 34

R
L
T.

Hình 2. 3 Giản đồ năng lượng của ion Er trong lõi sợi EDFA. .................................. 35
3+

Hinh 3. 1 Hiện tượng truyền sóng đa đường. ................................................................. 45

DU

Hinh 3. 2 Khối máy thu (Mobile Host). ......................................................................... 47
Hinh 3. 3 Sơ đồ khối của kênh truyền sóng vô tuyến trong hệ thống MMW/RoF. ....... 49
Hình 4. 1 Mô hình hệ thống MMW/RoF sử dụng bộ khuếch đại quang EDFA và
máy thu tách sóng trực tiếp ............................................................................................ 55
Hình 4. 2 Đồ thị BER theo công suất phát tương ứng với hệ số tán sắc của sợi quang
khác nhau khi đường truyền vô tuyến tầm nhìn thẳng (LoS). ....................................... 57
Hình 4. 3 Đồ thị BER theo công suất phát tương ứng với hệ số tán sắc của sợi quang
khác nhau khi đường truyền vô tuyến bị che chắn (NLoS). .......................................... 58

Hình 4. 4 Đồ thị BER theo công suất phát tương ứng với các tần số khác nhau khi
đường truyền vô tuyến tầm nhìn thẳng (LoS). ............................................................... 59
Hình 4. 5 Đồ thị BER theo công suất phát tương ứng với các tần số khác nhau khi
đường truyền vô tuyến bị che chắn (NLoS). .................................................................. 60
Hình 4. 6 Đồ thị BER theo khoảng cách truyền vô tuyến tầm nhìn thẳng (LoS) tương
ứng với các hệ số tán sắc khác nhau................................................................................. 61
Hình 4. 7 Đồ thị BER theo khoảng cách truyền vô tuyến bị che chắn (NLoS) tương
ứng với hệ số tán sắc khác nhau....................................................................................... 61


13
Hình 4. 8 Đồ thị BER theo khoảng cách truyền vô tuyến tầm nhìn thẳng (LoS) tương
ứng với hệ số tần khác nhau............................................................................................. 62
Hình 4. 9 Đồ thị BER theo khoảng cách truyền vô tuyến bị che chắn (NLoS) tương
ứng với tần số khác nhau................................................................................................ 63

C
C

DU

R
L
T.


14
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, nhu

cầu các dịch vụ viễn thông cũng ngày càng phát triển đa dạng và phong phú. Các
dịch vụ viễn thông như thoại, internet, các trò chơi tương tác, truyền hình hội nghị,
kênh thuê riêng, mạng riêng ảo, dịch vụ FTTx, IoT…cùng với các thế hệ công nghệ
mạng 2G, 3G, 4G, 5G… đã dẫn tới nhu cầu phát triển các đường truyền băng rộng
để đáp ứng được sự tăng trưởng dung lượng truyền tải trong hệ thống thông tin.
Công nghệ IoT và thông tin di động thế hệ mới cần cơ sở hạ tầng mạng cung
cấp băng thông rất rộng để đáp ứng với nhu cầu thông tin tích hợp đồng thời nhiều
loại hình dịch vụ băng rộng từ các thiết bị thông tin liên lạc khác nhau. Đặc biệt vài

C
C

năm gần đây, nhu cầu thông tin di động băng tần rộng tăng lên nhanh chóng. Trên

R
L
T.

toàn cầu, lưu lượng dữ liệu di động sẽ tăng gấp 7 lần từ năm 2017 đến năm 2022,
với tốc độ tăng trưởng là 46% đạt 77,5 exabyte mỗi tháng vào năm 2022 (một

DU

exabyte bằng một tỉ gigabyte). Lưu lượng truy cập từ thiết bị không dây và thiết bị
di động sẽ chiếm 71% tổng lưu lượng IP vào năm 2022.[1],[2]. Trong bối cảnh đó,
hệ thống thông tin quang - vô tuyến MMW/RoF (Milimeter Wave Radio-overFiber) còn được gọi là hệ thống truyền dẫn fronthaul di động (Mobile Fronthaul)
được tập trung nghiên cứu để truyền tín hiệu di động giữa các trạm trung tâm CS
(Central Station) và các đầu cuối vô tuyến ở xa RRH (Remote Radio Head) của
mạng thông tin di động [3]. Với ưu điểm vượt trội là băng thông rất rộng của công
nghệ quang tử và sợi quang việc xử lý và truyền tín hiệu hệ thống MMW/RoF cho

phép tăng đáng kể dung lượng, giảm trễ tín hiệu, năng lượng tiêu thụ, chi phí và độ
phức tạp của mạng thông tin di động. Do đó nó là xu thế ứng dụng tất yếu trong hệ
thống thông tin di động thế hệ mới (5G và sau 5G). Đặc biệt, tiềm năng ứng dụng
vào hệ thống MMW/RoF khoảng cách truyền dẫn lớn để thông tin di động liên lạc
giữa đất liền và các đảo là rất lớn. Tại Việt Nam có hơn 3.000 hòn đảo lớn, nhỏ
trong đó có các quần đảo, đảo lớn là Hoàng Sa, Trường Sa, Phú Quốc, Côn Đảo...
Đảo của Việt Nam được chia thành hệ thống các đảo ven bờ và hệ thống các đảo xa
bờ. Hệ thống đảo ven bờ có khoảng 2.800 đảo. Các đảo cách đất liền của nước ta từ


15
vài km đến vài trăm km [4]. Những năm gần đây việc thông tin liên lạc của dân cư
trên các đảo với đất liền không thuận lợi, có thể sử dụng dịch vụ VSAT truyền dẫn
IP từ 2 vệ tinh VINASAT1 và VINASAT2 của Việt Nam, chủ yếu là dịch vụ truyền
hình và truyền số liệu một chiều. Bài toán đặt ra là làm thế nào tăng cường thông tin
liên lạc cũng như cung cấp nhiều dịch vụ băng rộng cho dân cư trên các đảo bằng
thông tin di động thế hệ mới như trong đất liền. Giải pháp hữu hiệu trong trường
hợp này là xây dựng các trạm thu phát gốc BTS trong đất liền và trên các đảo, sau
đó liên lạc chúng bằng cáp quang thả dưới biển. Để tăng khoảng cách truyền dẫn
lên đến vài trăm km, ta lắp đặt các bộ khuếch đại quang trên đường truyền. Kỹ thuật
RoF ở đây cho phép truyền trực tiếp tín hiệu sóng mang thông tin di động 3G, 4G ở
dải tần vô tuyến vài GHz hoặc thông tin di động thế hệ mới ở dải tần vô tuyến băng

C
C

tần cao (vài chục GHz đến vài trăm GHz) qua sợi quang xuyên biển, lên đảo để đến
các trạm BTS và phát trực tiếp cho các điện thoại di động của người dân trên đảo và

R

L
T.

theo hướng ngược lại.

DU

Xuất phát từ nhu cầu thực tế nêu trên và xu hướng nghiên cứu của thế giới và
Việt Nam, tác giả thực hiện đề tài “Nghiên cứu đặc tính của hệ thống MMW/RoF
truy cập quang - vô tuyến băng tần siêu cao cho thông tin di động thế hệ mới”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu đặc tính của hệ thống MMW/RoF truy cập quang - vô tuyến.
- Nghiên cứu các kỹ thuật xử lý tín hiệu ở phần phát và phần thu của hệ thống
truy cập MMW/RoF.
- Xây dựng mô hình tính toán và viết chương trình mô phỏng bằng Matlab
nhằm đánh giá hiệu năng (BER, SNR) của hệ thống. Từ đó tìm biện pháp nâng cao
chất lượng của hệ thống.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
- Kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu vô tuyến qua sợi quang (RoF).
- Hệ thống truyền dẫn RoF sử dụng bộ khuếch đại quang EDFA và máy thu
tách sóng trực tiếp.


16
- Các thành phần và kỹ thuật xử lý tín hiệu ở phần phát và phần thu của hệ
thống MMW/RoF truy cập quang - vô tuyến.
- Các thành phần nhiễu ảnh hưởng đến chất lượng của kênh truyền.
- Ứng dụng Matlab để mô phỏng.
3.2. Phạm vi nghiên cứu

- Khảo sát công suất tín hiệu, công suất nhiễu và BER của hệ thống
MMW/RoF truy cập quang - vô tuyến.
- Mô phỏng bằng chương trình Matlab nhằm đánh giá hiệu năng của hệ thống.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp luận xuyên suốt của luận văn là kết hợp nghiên cứu lý thuyết và
mô phỏng để làm rõ nội dung đề tài. Cụ thể như sau:

C
C

R
L
T.

- Thu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài.

DU

- Tìm hiểu và phân tích hệ thống MMW/RoF truy cập quang - vô tuyến băng
rộng.

- Nghiên cứu thành phần, kỹ thuật xử lý tín hiệu ở phần phát và phần thu của
mạng truy cập MMW/RoF.
- Sử dụng phần mềm (Matlab) để thực hiện mô phỏng việc truyền dữ liệu qua
hệ thống.
- Đánh giá kết quả thực hiện dựa trên mô phỏng.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Chất lượng của mạng truy cập quang - vô tuyến băng thông rộng không những
bị ảnh hưởng bởi các loại nhiễu gây ra trong sợi quang, bộ khuếch đại quang, máy
thu quang mà còn bị ảnh hưởng bởi các loại nhiễu pha đinh do thời tiết và pha đinh

nhiều tia khi truyền trong không gian đến máy thu của người dùng. Việc khảo sát
đặc tính hệ thống MMW/RoF truy cập quang - vô tuyến cho phép thiết lập giá trị
của các thông số chủ yếu của hệ thống nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu đến đầu


17
vào máy thu. Đề tài có ý nghĩa khoa học và có khả năng ứng dụng vào thực tiễn
cuộc sống.
6. Kết cấu luận văn
- Chương 1: Tổng quan về hệ thống MMW/RoF truy cập quang - vô tuyến.
- Chương 2: Các thành phần hệ thống ở phần quang.
- Chương 3: Các thành phần hệ thống ở phần vô tuyến.
- Chương 4: Khảo sát đặc tính của hệ thống và đánh giá kết quả.
- Kết luận và hướng phát triển đề tài.
- Tài liệu tham khảo.

C
C

- Phụ lục.

Để hoàn thành được luận văn, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS.
Nguyễn Văn Tuấn và PGS.TS. Nguyễn Lê Hùng vì sự hướng dẫn tận tình, chu đáo
của quý Thầy. Trong thời gian thực hiện, mặc dù đã có nhiều cố gắng, nhưng luận

R
L
T.

DU

văn cũng không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong quý Thầy, Cô và các bạn
góp ý chân thành để luận văn hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!


18
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MMW/RoF
TRUY CẬP QUANG – VÔ TUYẾN
1.1. Giới thiệu chương
Nội dung của chương này nhằm giới thiệu về tổng quan công nghệ truyền
sóng vô tuyến trên sợi quang (gọi tắt là RoF) đồng thời phân tích cụ thể các kỹ thuật
điều chế và tách sóng trong RoF. Chương gồm các phần chính sau:
+ Khái niệm về kỹ thuật truyền sóng vô tuyến qua sợi quang (RoF).
+ Các thành phần cơ bản RoF truy cập quang - vô tuyến: sợi quang, Mobile
host, base station, central station.

C
C

+ Kỹ thuật truyền dẫn RoF gồm có các kỹ thuật điều chế tại đầu phát và tách

R
L
T.

sóng tại đầu thu.

+ Ưu điểm và khuyết điểm của RoF.

DU

+ Tổng quan về thông tin di động thế hệ mới (5G).
1.2. Khái niệm về kỹ thuật truyền sóng vô tuyến qua sợi quang (RoF)

Hình 1. 1 Hệ thống RoF truy cập quang - vô tuyến.
RoF là công nghệ truyền sóng vô tuyến qua sợi quang sử dụng đường truyền
sợi quang để phân phối các tín hiệu tần số vô tuyến (RF) từ các vị trí trạm đầu cuối
tập trung tới các khối anten đầu xa (RAUs). Hình 1.1 mô tả hệ thống RoF truy cập
quang - vô tuyến.


19
Trong hệ thống thông tin băng hẹp và WLANs, các chức năng xử lí tín hiệu
RF như nâng tần, điều chế sóng mang và ghép kênh được thực hiện ở các trạm gốc
BS và ngay sau đó được đưa tới các anten. Công nghệ RoF cho phép tận dụng các
chức năng xử lí tín hiệu RF tại một vị trí chung (trạm đầu cuối) sau đó sử dụng sợi
quang có suy hao thấp (khoảng 0.21 dB/km tại bước sóng 1550 nm và khoảng 0.5
dB/km tại bước sóng 1310 nm) để phân phối tín hiệu RF tới các khối anten RAU xa
như hình 1.1.
Nhờ công nghệ RoF các RAU được đơn giản hóa đáng kể, chúng chỉ còn phải
đảm nhận chức năng chuyển đổi quang - điện và khuếch đại. Việc tập trung các
chức năng xử lí tín hiệu RF cho phép chia sẻ thiết bị, phân bố động tài nguyên và
đơn giản hóa vận hành, bảo dưỡng hệ thống. Những ưu điểm này làm giảm chi phí

C
C

lắp đặt và vận hành của hệ thống, đặc biệt trong các hệ thống thông tin vô tuyến

R
L
T.

băng rộng cần mật độ các trạm gốc (BS) cao.

DU

Hình 1. 2 Hệ thống quang - vô tuyến hai hướng tiêu biểu.
Một trong những ứng dụng của RoF là hệ thống quang vô tuyến hai hướng
được mô tả như hình 1.2, hệ thống được sử dụng để phân phối tín hiệu trong hệ
thống thông tin di động toàn cầu. Tín hiệu RF được sử dụng điều chế cường độ ở
trạm trung tâm sẽ được truyền trên sợi quang tới trạm gốc BS. Tại BS tín hiệu RF
được khôi phục bằng cách tách sóng trực tiếp ở bộ tách sóng quang PIN. Tín hiệu
sau đó được khuếch đại và được bức xạ ra nhờ anten để đến máy thu vô tuyến cố
định hoặc di động. Tín hiệu đường lên từ thiết bị đầu cuối được đưa từ BS tới trạm
trung tâm cũng theo cách này.


20
1.3. Các thành phần cơ bản RoF
1.3.1. Trạm trung tâm-Central Station (CS)
Là trạm xử lý trung tâm, do kiến trúc mạng tập trung nên tất cả các chức năng
như định tuyến, cấp phát kênh,… đều được thực hiện và chia sẻ ở CS vì thế có thể
nói CS là thành phần quan trọng nhất trong mạng RoF. CS được nối đến các tổng
đài, server khác. Tùy vào khả năng của kỹ thuật RoF mà mỗi CS có thể phục vụ các
BS ở xa hàng chục km hoặc vài trăm km nếu kết hợp thêm các bộ khuếch đại
quang, nên mỗi CS có thể nối đến hàng ngàn các BS.
1.3.2. Trạm gốc - Base Station (BS)

Các trạm gốc có nhiệm vụ phát sóng vô tuyến nhận được từ trạm trung tâm

C
C

đến các thiết bị đầu cuối (MH) và nhận sóng vô tuyến nhận được từ các thiết bị đầu
cuối (MH) truyền về trạm trung tâm. Mỗi trạm gốc sẽ phục vụ một microcell. Các

R
L
T.

trạm gốc không có chức năng xử lý tín hiệu, nó chỉ biến đổi từ thành phần chuyển
đổi điện - quang và ngược lại để chuyển về hoặc nhận từ trạm trung tâm. Trạm gốc

DU

có 2 thành phần quan trọng nhất: anten và thành phần chuyển đổi quang - điện ở tần
số RF. Tùy vào bán kính phục vụ của mỗi trạm gốc, mà số lượng sử dụng chúng để
phủ sóng một vùng là nhiều hay ít. Bán kính phục vụ của các trạm này rất nhỏ (vài
trăm mét hoặc thấp hơn nữa chỉ vài chục mét) và phục vụ một số lượng vài chục
đến vài trăm các Mobile Host (MH). Trong kiến trúc mạng RoF thì các trạm gốc
phải rất đơn giản.
1.3.3. Thiết bị di động - Mobile Host (MH)
Là các thiết bị di động trong mạng, các thiết bị đầu cuối. Các MH có thể là
điện thoại đi động, máy tính xách tay hay các máy chuyên dụng khác có tích hợp
chức năng truy nhập vào mạng không dây.
1.3.4. Sợi quang
Là môi trường truyền tải thông tin giữa các CS và BS dưới dạng ánh sáng
truyền trong sợi quang (sợi đơn mode hoặc đa mode) bằng hiện tượng phản xạ toàn

phần. Để tránh suy hao do tán sắc mode và suy hao trên sợi quang, sợi quang


21
thường được sử dụng là sợi đơn mode có suy hao khoảng (0.2 - 0.24) dB/km tại
bước sóng 1550 nm.
Di động

O/E

E/O
Nguồn
Sợi
E/O

O/E

quang

Di động

►
BS

CS

MH

C
C

Hình 1. 3 CS và một microcell (BS và MS) trong kiến trúc RoF.

R
L
T.

Hình 1.3 mô tả các thành phần cơ bản của một hệ thống RoF bao gồm 4 thành
phần chính: Central Station, Base Station, Mobile Host và tuyến sợi quang. Có 2

DU

dạng tuyến RoF: uplink (từ MH qua BS đến CS) hoặc downlink (phát từ CS qua BS
đến các MH).

1.4. Kỹ thuật truyền dẫn RoF
1.4.1. Các kỹ thuật điều chế tại đầu phát
1.4.1.1. Kỹ thuật điều chế trực tiếp (Direct Modulation – DM)

Hình 1. 4 Kỹ thuật điều chế trực tiếp
Trong kỹ thuật điều chế trực tiếp, tín hiệu dòng điểu khiển được đưa vào laser
điều chế quang trực tiếp có giá trị biến thiên theo dữ liệu được phát đi. Đơn giản, rẻ
tiền là những ưu điểm của kỹ thuật điều chế trực tiếp và kỹ thuật này được ứng
dụng nhiều trong các hệ thống thông tin quang hiện nay. Khi dùng sợi tán sắc thấp,


22
hệ thống sẽ trở nên tuyến tính. Tuy nhiên hạn chế của kỹ thuật điều chế trực tiếp là
khả năng đáp ứng tần số của laser là có giới hạn, laser điều chế trực tiếp chỉ có khả
năng hoạt động ở tần số tầm 10 GHz. Có một số laser có thể hoạt động ở tần số 40

GHz nhưng giá thành rất cao và không phổ biến trên thị trường.
1.4.1.2. Kỹ thuật điều chế ngoài (External Modulation)
Trong kỹ thuật điều chế ngoài, sóng laser được cấp một tín hiệu liên tục
(Continous Wave - CW) để phát ra ánh sáng có năng lượng không đổi theo thời
gian. Thành phần thứ hai, được gọi là bộ điều biến được sử dụng như một công tắc
để cho ánh sáng đi qua tương ứng với tín hiệu điều chế mang thông tin được đưa
vào bộ điều biến. Như vậy, laser không trực tiếp tham gia vào quá trình điều chế tín
hiệu mà thông qua một bộ điều chế quang học bên ngoài với tốc độ bit cao, cho

C
C

phép chuyển đổi tín hiệu giữa hai trạng thái (mở và đóng) đủ nhanh để hoạt động tốt

R
L
T.

ở tốc độ bit mong muốn.

DU

Hình 1. 5 Kỹ thuật điều chế ngoài.
Trong kỹ thuật điều chế ngoài, có hai bộ điều chế ngoài thường được sử dụng
trong các hệ thống thông tin quang:
Loại thứ nhất dựa trên sự thay đổi sự hấp thụ của các vật liệu bán dẫn dưới sự
điều khiển bởi một điện trường ngoài.
Loại thứ hai dựa trên sự thay đổi chỉ số khúc xạ của một số tinh thể dưới tác
động điều khiển của một điện trường bên ngoài. Loại điều chế này có tên gọi là bộ
điều chế ngoài Mach - Zehnder, bộ điều chế này hoạt động như sau:

Bộ điều chế ngoài Mach - Zehnder là dựa trên sự thay đổi chỉ số khúc xạ dưới
tác dụng của điện trường ngoài thông qua hiệu tương ứng quang điện. Người ta cấy


23
vào ống dẫn sóng một tinh thể quang điện tử, thường là pin lithium - niobate (

LiNbO3 ), chiết suất của lớp lithium - niobate này thay đổi khi đặt vào nhánh của nó
một hiệu điện thế. Giả sử nguồn sáng đến được chia làm hai nhánh đi qua ống dẫn
sóng. Khi không có hiệu điện thế đặt vào, cả hai nửa tia tới sẽ không bị dịch pha, tại
ngõ ra chúng sẽ giao thoa với nhau và tái tạo lại dạng sóng ban đầu. Khi có một
hiệu điện thế đặt vào thì hai tia tới sẽ bị dịch pha, công suất tại đầu ra bộ điều chế
phụ thuộc vào sự sai khác pha của hai tia có độ lệch pha:

 =  (t ) −  0

(1.1)

Công suất sóng ra được tính như sau:

Pout = Pin cos 2


2

C
C

(1.2)

R
L
T.

Trường hợp phổ biến nhất, tia tới thứ nhất sẽ bị dịch pha 90o bởi chiết suất của
ống dẫn sóng bị thay đổi, trong khi nhánh thứ hai sẽ bị dịch pha – 90o. Kết quả là

DU

tổng hợp ngõ ra ống dẫn sóng cả hai đều bị triệt tiêu.
1.4.2. Các kỹ thuật tách sóng tại đầu thu

Hình 1. 6 Kỹ thuật tách sóng tại đầu thu.
Tại máy thu thì tín hiệu RF sẽ được khôi phục khi tín hiệu quang được tách
sóng. Có 2 phương pháp tách sóng quang, đó là tách sóng trực tiếp và tách sóng
Coherence.
1.4.2.1. Kỹ thuật tách sóng trực tiếp
Tín hiệu quang được phát đi từ phía phát sau khi tới bộ thu quang nhờ vào
photodiode để biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Photodiode (O/E) thực
hiện tách sóng theo luật bình phương vì nó biến đổi công suất quang thu được trực
tiếp thành dòng điện tại đầu ra của nó.