Nghiên cứu bộ thu quang apd sử dụng trong mạng chuyển tiếp fso đa chặng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------LƯƠNG TRÍ DŨNG

LƯƠNG TRÍ DŨNG

KỸ THUẬT VIỄN THƠNG

NGHIÊN CỨU BỘ THU QUANG APD SỬ DỤNG TRONG MẠNG
CHUYỂN TIẾP FSO ĐA CHẶNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT VIỄN THƠNG

KHỐ 2015B

Hà Nội – Năm 2017


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

LƯƠNG TRÍ DŨNG

NGHIÊN CỨU BỘ THU QUANG APD SỬ DỤNG TRONG MẠNG
CHUYỂN TIẾP FSO ĐA CHẶNG

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS HÀ DUYÊN TRUNG

Hà Nội – Năm 2017


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : Lương Trí Dũng
Đề tài luận văn: Nghiên cứu bộ thu quang APD sử dụng trong mạng chuyển
tiếp FSO đa chặng
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông
Mã số SV: CB150234

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn
xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng
ngày 26 tháng 10 năm 2017 với các nội dung sau:
Thêm phần nội dung về bộ thu:
 Diode thu quang p-i-n
 Diode thu quang APD
 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
 Một số cấu trúcAPD

Ngày
Giáo viên hướng dẫn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

tháng

năm

Tác giả luận văn


LỜI NĨI ĐẦU
Trong những năm gần đây, truyền thơng quang không dây (FSO) đã nhận được
nhiều sự chú ý như là một trong những xu hướng công nghệ mới trong lĩnh vực viễn
thông. Truyền thông vô tuyến quang là một hình thức truyền dẫn tín hiệu quang mà
khơng cần tới cáp sợi quang, thay vào đó cơng nghệ này sử dụng sự lan truyền của
ánh sáng trong không gian để truyền tín hiệu giữa hai điểm. Truyền thơng FSO
được xem như một giải pháp đầy hứa hẹn thay thế cho các kết nối vô tuyến băng
rộng nhờ vào các ưu điểm mà nó có được bao gồm: chi phí hiệu quả, triển khai
nhanh chóng, linh hoạt và cung cấp tốc độ dữ liệu rất cao, đặc biệt công nghệ này
không yêu cầu cấp phép phổ tần số [1, 2]. Đây là vấn đề thách thức đối với các hệ
thống sử dụng tần số vô tuyến (RF) khi mà phổ tần số RF đang trở nên quá tải. Sự
ra đời của truyền thông FSO đã tạo ra bước ngoặt mới trong lịch sử công nghệ, là sự
kết hợp và là bước phát triển tiếp theo của các công nghệ truyền thông vô tuyến ở
dải tần radio và truyền thông qua cáp sợi quang [3]. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu
điểm, hệ thống truyền thông quang không dây cũng gặp phải các thách thức cần
phải vượt qua đó là sự ảnh hưởng mạnh của tạp âm, nhiễu và các yếu tố tác động
của mơi trường truyền lan như mưa, sương mù, khói, bụi, tuyết… đặc biệt là sự
nhiễu loạn khí quyển. Những yếu tố này giới hạn đáng kể khoảng cách truyền dẫn
cũng như làm suy giảm chất lượng của hệ thống. Để hạn chế tác động tiêu cực của
các yếu tố này, luận văn đề xuất một giải pháp, đó là sử dụng các trặm lặp khuếch
đại-chuyển tiếp (AF) trung gian để truyền tín hiệu từ nguồn tới đích. Mục đích của

luận văn là đưa ra mơ hình hệ thống FSO chuyển tiếp đa chặng sử dụng kĩ thuật
khuếch đại-chuyển tiếp đồng thời phân tích và đánh giá hiệu năng của hệ thống này
dưới sự ảnh hưởng của các yếu tố kể trên: “Nghiên cứu bộ thu quang APD sử
dụng trong mạng chuyển tiếp FSO đa chặng”.
Để đạt được kết quả như ngày hôm nay, trước hết em xin được gửi lời cảm ơn
chân thành tới tập thể các thầy giáo, cô giáo trong Viện Điện Tử - Viễn Thông,
trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ, dạy bảo, cũng như tạo ra một môi
trường tốt để em học tập và nghiên cứu trong suốt quá trình học tập tại trường. Đặc
biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Hà Duyên Trung đã tận tình
Page | 1


hướng dẫn, chỉ bảo và định hướng cho em một cách cụ thể yêu cầu cũng như
phương pháp để thực hiện đề tài này.
Trong suốt quá trình thực hiện đề tài, mặc dù đã rất cố gắng, tuy nhiên do thời
gian có hạn cũng như vốn kiến thức và khả năng của bản thân cịn hạn chế do đó sẽ
khơng tránh khỏi những thiếu sót. Em mong rất nhận được những ý kiến đóng góp
q báu của các thầy, cơ để đề tài được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà nội, tháng 10 năm 2017
Học viên thực hiện
Lương Trí Dũng

Page | 2


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn này thực hiện phân tích hiệu năng của hệ thống truyền thông quang
trong không gian tự do (FSO) đa chặng với các trạm lặp khuếch đại-chuyển tiếp
(AF) được bố trí nối tiếp nhau, sử dụng diode thu quang thác lũ (APD) và điều chế

biên độ cầu phương sóng mang (SC-QAM) trên kênh nhiễu loạn khí quyển yếu
được mơ hình bởi phân bố log-normal. Biểu thức đóng cho tỉ lệ lỗi bit (BER) của hệ
thống được rút ra có tính tới ảnh hưởng của nhiễu nỗ, nhiễu nhiệt ở bộ thu APD
cũng như sự tác động của suy hao và nhiễu loạn khí quyển. Các kết quả tính tốn
chỉ ra rằng sử dụng các trạm lặp khuếch-đại chuyển tiếp có thể mở rộng cự ly truyền
dẫn và giúp cải thiện một cách đáng kể hiệu năng của hệ thống FSO khi so sánh với
truyền dẫn trực tiếp. Hơn nữa, việc lựa chọn giá trị độ lợi của APD có tính quyết
định tới hiệu năng của hệ thống. Hệ thống được đề xuất có thể đạt được hiệu năng
tốt nhất bằng cách lựa chọn giá trị độ lợi APD thích hợp. Thêm vào đó, giá trị tối ưu
của độ lợi APD cũng phụ thuộc một cách đáng kể vào các điều kiện khác nhau như:
Khoảng cách đường truyền, số trạm chuyển tiếp và nhiễu bộ thu APD.

Page | 3


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................................... 1
TÓM TẮT LUẬN VĂN .................................................................................................................... 3
MỤC LỤC.......................................................................................................................................... 4
DANH SÁCH HÌNH VẼ ................................................................................................................... 6
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU ..................................................................................................... 8
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT ........................................................................................................... 9
PHẦN MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 11
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY ........ 13
1.1 Giới thiệu chung về công nghệ FSO ..................................................................................... 13
1.1.1 Lịch sử phát triển ........................................................................................................... 13
1.1.2 Cách thức hoạt động ...................................................................................................... 14
1.1.3 Các đặc điểm của hệ thống truyền thông quang không dây FSO .................................. 16
1.1.4 Các kiến trúc của mạng FSO ......................................................................................... 20
1.1.5 Ứng dụng của hệ thống FSO ......................................................................................... 24

1.2 Mơ hình hệ thống FSO .......................................................................................................... 27
1.2.1 Bộ phát........................................................................................................................... 27
1.2.2 Bộ thu ............................................................................................................................ 29
1.2.3
1.3

Các kĩ thuật chuyển tiếp trong hệ thống FSO đa chặng ..................................................... 47

1.4

Giới thiệu một số kĩ thuật điều chế sử dụng trong hệ thống truyền thông FSO................. 49

1.4.2

Điều chế khóa đóng mở (On-Off Keying - OOK) ................................................... 49

1.4.3

Điều chế vị trí xung (Pulse Position Modulation - PPM)......................................... 49

1.4.4

Điều chế cường độ sóng mang (Subcarrier Intensity Modulation - SIM) ................ 50

1.5
2

Kênh truyền dẫn vô tuyến ........................................................................................ 44

Kết luận chương ................................................................................................................. 51

PHÂN TÍCH TỈ LỆ LỖI BER CỦA HỆ THỐNG ................................................................. 52
2.2

Các yếu tố của kênh truyền khí quyển tác động tới hiệu năng của hệ thống FSO ............. 52

2.2.2

Suy hao do các phần tử trong khí quyển .................................................................. 52

2.2.3

Suy hao do sự phân kì của chùm tia ......................................................................... 53

2.2.4

Suy hao do lệch hướng phát-thu............................................................................... 54

2.2.5

Hiện tượng nhiễu loạn khí quyển ............................................................................. 54

2.3

Mơ hình trạng thái kênh truyền .......................................................................................... 57

Page | 4


2.3.2

Suy hao đường truyền .............................................................................................. 57

2.3.3

Mơ hình nhiễu loạn khí quyển ................................................................................. 58

2.4

2.4.2

Nhiễu nhiệt ............................................................................................................... 60

2.4.3

Nhiễu nổ ................................................................................................................... 60

2.5

Phân tích hiệu năng hệ thống ............................................................................................. 61

2.5.2

Hệ thống AF/FSO sử dụng tín hiệu SC-QAM và bộ thu APD ................................ 61

2.5.3

Phân tích BER .......................................................................................................... 66

2.6

3

Mơ hình nhiễu bộ thu sử dụng photodiode APD ............................................................... 59

Kết luận chương ................................................................................................................. 73

KẾT QUẢ TÍNH TỐN VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG................................. 74
3.2

Các tham số của hệ thống .................................................................................................. 74

3.3

Kết quả khảo sát BER, nhận xét và đánh giá ..................................................................... 75

3.4

Kết luận chương ................................................................................................................. 85

KẾT LUẬN ...................................................................................................................................... 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................................ 88

Page | 5


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cách thức hoạt động của một mạng truyền thơng FSO thơng thường.......15
Hình 1.2 Minh họa một tuyến truyền dẫn FSO .........................................................15
Hình 1.3 Các thách thức của hệ thống FSO ..............................................................19
Hình 1.4 Kiến trúc mạng lưới ...................................................................................21

Hình 1.5 Kiến trúc mạng điểm- đa điểm ...................................................................22
Hình 1.6 Kiến trúc mạng nhiều tuyến điểm – điểm ..................................................23
Hình 1.7 Kiến trúc mạng vịng ..................................................................................23
Hình 1.8 Hệ thống truyền thơng vô tuyến quang MLT-20 giữa mặt đất và máy bay
Tornado .............................................................................................................25
Hình 1.9 Hệ thống truyền thơng vơ tuyến quang từ vệ tinh của NASA ...................26
Hình 1.10 Mơ hình truyền thơng vơ tuyến quang giữa các vệ tinh EDRS ...............27
Hình 1.11 Sơ đồ khối một tuyến FSO điển hình .......................................................27
Hình 1.12 Minh họa nguyên tắc thu quang ...............................................................30
Hình 1.13 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ vào bước sóng của một số loại vật liệu
bán dẫn ..............................................................................................................31
Hình 1.14 Thời gian lên và thời gian xuống tại đầu ra của photodiode khi công suất
quang đến đầu thu thay đổi đột ngột .................................................................33
Hình 1.15 Cấu trúc diode thu quang p-i-n và phân bố trường trong p-i-n khi có điện
áp phân cực ngược đặt vào ................................................................................35
Hình 1.16 Ví dụ về cấu tạo của photodiode dị thể kép .............................................36
Hình 1.17 Cấu trúc của photodiode APD và sự phân bố điện trường trong APD khi
được định thiên ngược.......................................................................................38
Hình 1.18 Hê số nhân của APD silic với các bước sóng khác nhau thay đổi theo
điện áp định thiên ..............................................................................................41
Hình 1.19 APD có cấu trúc dải rộng .........................................................................43
Hình 1.20 APD cấu trúc dị thể InGaAs trên nền InP ................................................44
Hình 1.21 Cấu hình nối tiếp ......................................................................................47
Hình 1.22 Cấu hình song song ..................................................................................48
Hình 2.1 Suy hao do chùm tia bị phân kì ..................................................................54
Page | 6


Hình 2.2 Kênh truyền khí quyển với các xốy lốc (túi khí hay ơ nhỏ) hỗn loạn ......56
Hình 2.3 (a) Xung quang bị biến dạng dưới tác động của nhiễu loạn khí quyển; (b)

Sự giãn xung làm tăng tỉ lệ lỗi bít BER ............................................................57
Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ thống AF/FSO .....................................................................62
Hình 2.5 Biểu đồ chịm sao tín hiệu 8 × 4 QAM ......................................................67
Hình 3.1 BER thay đổi theo độ lợi trung bình của bộ APD cho các trường hợp đơn
chặng và đa chặng .............................................................................................76
Hình 3.2 BER thay đổi theo độ lợi trung bình của bộ APD với các mức điều chế
khác nhau ..........................................................................................................77
Hình 3.3 BER theo độ lợi trung bình với các trường hợp khác nhau của nhiệt độ bộ
thu APD .............................................................................................................78
Hình 3.4 BER thay đổi theo độ lợi trung bình của APD với sự khác nhau của chiều
dài đường truyền ...............................................................................................79
Hình 3.5 Đánh giá BER theo tổng cơng suất phát trên bit cho các trường hợp truyền
đơn chặng và đa chặng ......................................................................................80
Hình 3.6 Đánh giá BER theo số lượng các nút chuyển tiếp với sự khác nhau của số
mức điều chế .....................................................................................................81
Hình 3.7 BER thay đổi theo khoảng cách truyền dẫn với các trường hợp truyền đơn
chặng và đa chặng .............................................................................................83
Hình 3.8 BER so với tốc độ bit với các trường hợp truyền đơn chặng và đa chặng 84
Hình 3.9 BER so với khoảng cách đường truyền với các giá trị khác nhau của tổng
công suất phát trên bit .......................................................................................85

Page | 7


DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Các loại nguồn quang ................................................................................28
Bảng 1.2 Đặc tính kỹ thuật của một số loại photodiode p-i-n ..................................36
Bảng 1.3 Đặc tính của một số loại photodiode APD phổ biến .................................42
Bảng 1.4 Các phần tử khí gas có trong khí quyển ....................................................45
Bảng 1.5 So sánh giữa các kĩ thuật điều chế .............................................................51

Bảng 2.1 Bán kính và quá trình tán xạ của một số hạt điển hình trong khí quyển tại
λ = 850 nm ........................................................................................................53
Bảng 3.1 Các tham số và hằng số hệ thống ..............................................................75

Page | 8


DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

STT

Từ viết tắt

Thuật ngữ tiếng anh

1

FSO

Free-Space Optical

2

AF

Amplify-and-Forward

3

APD

Avalanche Photodiode

Đi-ốt thu quang thác lũ

4

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

5

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ lỗi bit

National Aeronautics
6

NASA

and Space
Administration

Thuật ngữ tiếng việt

Thông tin quang trong
không gian tự do
Khuếch đại và chuyển
tiếp

Cơ quan hàng không và
vũ trụ Hoa Kỳ

7

ESA

European Space Agency

Cơ quan vũ trụ châu Âu

8

HD

High Definiton

Độ nét cao

9

LED

Light Emitting Diode

Đi-ốt phát quang

10

LOS

Line of Sight

Tầm nhìn thẳng

11

PAM

12

SC-QAM

Pulse Amplitude
Modulation
Subcarrier Quadratude

Điều chế biên độ xung

Điều chế biên độ cầu

Page | 9


13

OOK

14

PPM

15

SIM

16

Amplitude Modulation

phương sóng mang

On-Off Key

Khóa đóng mở

Pulse Position
Modulation

Điều chế vị trí xung

Subcarrier Intensity

Điều chế cường độ sóng

Modulation

mang

PSK

Phase Shift Keying

Khóa dịch pha

17

RZ

Return Zero

Trở về không

18

NRZ

Non Return Zero

Không trở về không

19

SNR

Signal Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

20

MIMO

Multiple Input -

Nhiều bộ phát - nhiều bộ

Multiple Output

thu

Page | 10


PHẦN MỞ ĐẦU
Truyền thông quang không dây được biết đến như là một cơng nghệ truyền
thơng xanh, (green communication) có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác
nhau, như là kết nối tốc độ cao giữa các tòa nhà, các video giám sát chất lượng cao,
mạng đường trục cho mạng di động thế hệ tiếp theo, liên kết giữa các điểm trong
trường hợp xảy ra thiên tai, thảm họa và kết nối từ mặt đất tới các vệ tinh [4, 5].
Việc sử dụng các hệ thống FSO đang được quan tâm, đặc biệt là trong giải quyết
vấn đề đầu cuối khi các liên kết thông tin quang hữu tuyến là không phù hợp, cũng
như bổ sung các liên kết cho tần số vô tuyến. Tuy nhiên, cũng như các hệ thống vơ
tuyến khác, bên cạnh những ưu điểm thì hệ thống FSO cịn tồn tại một số thách
thức. Mơi trường truyền dẫn trong khí quyển tác động mạnh tới hiệu năng của hệ

thống FSO, các quá trình như suy hao, hấp thụ và đặc biệt là nhiễu loạn khí quyển
làm tăng tỉ lệ lỗi BER và làm suy giảm chất lượng của hệ thống FSO [4, 6]. Nhiễu
loạn khí quyển được chỉ ra như là một yếu tố tác động lớn nhất và đây là vấn đề
được nghiên cứu nhiều nhất trong hệ thống truyền thông quang không dây [4, 6].
Để giảm sự ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển, hệ thống FSO sử dụng các
trạm lặp chuyển tiếp (AF) được đề xuất như là một giải pháp đầy hứa hẹn để tăng
mức độ bao phủ và độ tin cậy của hệ thống. Luận văn này sẽ xây dựng mơ hình thái
kênh truyền và phân tích hiệu năng của hệ thống AF/FSO sử dụng diode thu quang
thác lũ APD và điều chế SC-QAM trên kênh nhiễu loạn khí quyển yếu, được mơ
hình bởi phân bố log-normal.
Luận văn được cấu trúc với các phần như sau:
Chương 1 - Tổng quan về hệ thống truyền thơng quang khơng dây: Trình bày
một cách khái quát nhất về công nghệ truyền thông quang không dây bao gồm lịch
sử phát triển, những lợi thế và thách thức của công nghệ này cũng như một số ứng
dụng tiêu biểu của cơng nghệ này. Ngồi ra, các kĩ thuật chuyển tiếp đa chặng và
các phương thức điều chế sử dụng phổ biến trong hệ thống FSO cũng được giới
thiệu và phân tích trong chương này.

Page | 11


Chương 2 - Phân tích tỉ lệ lỗi BER của hệ thống: Chương này trình bày về các
yếu tố chính của môi trường gây suy giảm hiệu năng của hệ thống FSO bao gồm,
suy hao, tán xạ và nhiễu loạn. Đề xuất mơ hình hệ thống AF/FSO sử dụng bộ thu
APD và tín hiệu SC-QAM đồng thời xây dựng mơ hình trạng thái kênh truyền và
mơ hình nhiễu tại bộ thu APD. Đặc biệt, trong chương hai, Biểu thức đóng về tỉ lệ
lỗi BER của hệ thống sẽ được cung cấp và làm rõ.
Chương 3 - Kết quả tính tốn và đánh giá hiệu năng hệ thống: Đây là chương
cuối cùng và cũng là chương quan trọng nhất của luận văn. Chương này sẽ trình bày
các kết quả tính tốn về tỉ lệ lỗi BER của hệ thống đồng thời đưa ra các nhận xét,

đánh giá về hiệu suất làm việc của hệ thống.

Page | 12


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG
KHÔNG DÂY
Chương 1 của luận văn sẽ tập trung trình bày một cách tổng quan về công nghệ
truyền thông quang không dây FSO bao gồm các vấn đề chính sau:
 Lịch sử phát triển.
 Các lợi thế và thách thức của hệ thống FSO khi triển khai thực tế.
 Các ứng dụng điển hình của truyền thơng FSO.
 Các kiến trúc của mạng FSO.
 Mơ hình hệ thống.
Ngồi ra, chương này còn giới thiệu hai kĩ thuật chuyển tiếp được sử dụng phổ
biến trong hệ thống FSO đa chặng là amplify-and-forward (AF) và decode-andforward (DF) cũng như phân tích một số phương pháp điều chế thông dụng trong
hệ thống FSO.
1.1 Giới thiệu chung về công nghệ FSO
1.1.1 Lịch sử phát triển
Truyền thơng bằng ánh sáng nhìn thấy đã sớm xuất hiện trong lịch sử lồi người
khi con người trước đó đã liên lạc với nhau bằng cách ra dấu (hand signal) [7].
Chẳng hạn như vào khoảng những năm 800 trước công nguyên, người Hi Lạp và La
Mã cổ đại đã sử dụng lửa để báo hiệu và khoảng những năm 150 trước công nguyên
người da đỏ ở Mĩ đã sử dụng khói cho mục đích tương tự [8]. Năm 1790, một kĩ sư
người Pháp là Claude Chappe đã xây dựng một hệ thống điện báo quang (optical
telegraph), hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiệu trên đó.
Thơng tin đã được truyền đi với tín hiệu này và đạt khoảng cách là 200 km trong
vòng 15 phút [7]. Vào năm 1880, Alexander Graham Bell đã phát minh ra máy
Photophone (máy truyền giọng nói bằng ánh sáng). Ơng đã sử dụng ánh sáng mặt
trời từ một gương phẳng mỏng đã điều chế giọng nói, để mang giọng nói đi. Ở máy

thu, ánh sáng mặt trời đã được điều chế đập vào tế bào quang dẫn, selen, nó sẽ biến
đổi thơng điệp thành dịng điện [7]. Mặc dù, thí nghiệm của Bell đã không thành
công như mong đợi do nguồn nhiễu quá lớn từ bức xạ mặt trời cũng như các thiết bị

Page | 13


cịn q đơn giản và thơ sơ nhưng thí nghiệm của Bell đã góp phần đặt nền tảng cho
sự ra đời của công nghệ truyền thông quang không dây FSO sau này.
Vào những năm 60 của thế kỉ 20 đã đánh dấu một bước nhảy vọt trong sự phát
triển của truyền thông FSO bằng việc phát minh ra nguồn quang, trong đó quan
trọng nhất phải kể tới nguồn phát Laser. Một loạt các minh chứng sử dụng kĩ thuật
truyền thông FSO đã ghi nhận trong các thập niên 60 và 70 như: Truyền tín hiệu
truyền hình qua khoảng cách 30 dặm (48 km) sử dụng đi-ốt phát quang (LED)
GaAs được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu làm việc trong phịng thí nghiệm MIT
thuộc Lincolns miền đơng nước Anh [8]. Tiếp đó phải kể tới thí nghiệm truyền tín
hiệu thoại giữa hai ngọn núi Panamint Ridge và San Gabriel sử dụng nguồn phát
laser He-Ne ở Mỹ vào tháng 5 năm 1963 với khoảng cách truyền khá xa đạt được là
118 dặm (190 km) [8]. Vào khoảng năm 1970, công ty Nippon Electric đã xây dựng
hệ thống truyền thông FSO đầu tiên để thương mại hóa tại Nhật Bản. Hệ thống này
sử dụng nguồn laser diode He-Ne có bước sóng   0.6328 μm để truyền dẫn tín
hiệu song cơng giữa hai địa điểm Yokohama và Tamagawa với khoảng cách là 14
km [8, 9]. Kể từ thời gian này cho tới bây giờ, FSO vẫn tiếp tục được nghiên cứu và
sử dụng cho mục đích qn sự. Ngồi ra, cơng nghệ FSO cũng được hai tổ chức
NASA và ESA nghiên cứu rất nhiều để ứng dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ.
Thành tựu của công nghệ FSO trong lĩnh vực này phải kể tới các vệ tinh có thể trao
đổi thông tin với nhau với tốc độ dữ liệu lên tới 10 Gbps [8].
1.1.2 Cách thức hoạt động
FSO là công nghệ viễn thơng sử dụng sự truyền lan của sóng ánh sáng trong
không gian để truyền thông tin giữa hai điểm. Các bức xạ quang có tần số rất cao

khoảng 1014  1015 Hz, do đó khả năng tải tin của hệ thống FSO là rất lớn [10]. FSO
là công nghệ truyền thơng băng rộng trong tầm nhìn thẳng (Line Of Sight - LOS),
tín hiệu quang thay vì được truyền trong sợi quang sẽ được phát đi trong một búp
sóng quang qua khơng gian. Vì vậy để đảm bảo trao đổi thông tin thành công giữa
bên phát và bên thu thì u cầu tuyến truyền dẫn phải được thơng suốt, khơng có bất
kì một chướng ngại vật nào cản trở [8].

Page | 14


Hình 1.1 Cách thức hoạt động của một mạng truyền thông FSO thông thường
Các thành phần của một mạng truyền thông quang không dây thông thường
được minh họa như ở Hình 1.1 [8, 9]. Trong đó, các bộ thu-phát quang (gồm một
khối thu và một khối phát) cung cấp khả năng thông tin một hoặc hai chiều. Mỗi
khối phát quang sử dụng một nguồn quang và một hệ thống các thấu kính để phát
tín hiệu quang qua khơng gian tới khối thu. Tại phía thu, các thấu kính khác được sử
dụng để thu tín hiệu, thấu kính này được nối với khối thu có độ nhạy cao qua một
sợi quang. Các bộ thu-phát được gắn trên nóc các tịa nhà hoặc sau các cửa sổ (Hình
1.2) để đảm bảo chúng được đặt ở trong tầm nhìn thẳng [8, 9].

Hình 1.2 Minh họa một tuyến truyền dẫn FSO
Xét về cự ly truyền dẫn, có thể phân loại các ứng dụng truyền thông vô tuyến
quang như sau [11]:
 Cự ly cực ngắn: Sử dụng giữa các chip mạch vi điện tử.
 Cự ly ngắn: Mạng vùng (LAN, PAN) lõi vô tuyến, các ứng dụng theo tiêu
chuẩn IEEE 802.15.7.

Page | 15

 Cự ly trung bình: Mạng diện rộng (WAN), mạng truyền thơng bên trong tịa
nhà, mạng điều khiển giao thơng giữa các xe và hạ tầng giao thông.
 Cự ly dài: Truyền thơng giữa các tịa nhà.
 Cự ly cực dài: Truyền thông giữa các vệ tinh.
Công nghệ FSO cung cấp khả năng truyền dẫn với tốc độ dữ liệu cao có thể đạt
tới hàng Gbps cũng như dung lượng băng thông lớn mà không cần phải cấp phép
phổ tần, điều mà đang trở thành thách thức đối với hệ thống sử dụng tần số vô tuyến
hiện tại (radio-frequency). Đặc biệt, chi phí triển khai hệ thống FSO khơng hề đắt
đỏ mà ngược lại rẻ hơn rất nhiều so với các hệ thống khác, thêm vào đó các hệ
thống FSO lại dễ dàng lắp đặt, di chuyển hoặc thiết lập lại cấu hình mạng khi cần.
Tuy nhiên, có một số vấn đề thách thức trong việc triển khai hệ thống FSO, bao
gồm những tác động tiêu cực của suy hao, tán xạ và nhiễu loạn [12]. Trong đó nhiễu
loạn khí quyển được chỉ ra như là một vấn đề được quan tâm nhiều nhất khi nghiên
cứu về lĩnh vực truyền thông quang không dây [4, 6]. Nguyên nhân gây ra sự nhiễu
loạn là do tính khơng đồng nhất về nhiệt độ và áp suất dẫn tới sự thay đổi về chỉ số
khúc xạ của lớp khí quyển dọc theo tuyến đường truyền dẫn [12]. Nhiễu loạn khí
quyển gây ra sự thăng giáng liên tục của cường độ tín hiệu bên phía máy thu, hiện
tượng này gọi là sự nhấp nháy hay fading, do đó gây suy giảm hiệu năng của hệ
thống [12].
1.1.3 Các đặc điểm của hệ thống truyền thông quang không dây FSO
a) Lợi thế của hệ thống FSO
Băng thông rất lớn – Dung lượng thông tin truyền tải trong hệ thống FSO lớn
hơn rất nhiều so với các hệ thống thơng tin vơ tuyến do tần số sóng mang quang
nằm trong các dải tần số của vùng ánh sáng hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy và tia
cực tím lớn hơn rất nhiều so với tần số vô tuyến [8].
Búp sóng hẹp  Bức xạ quang có búp sóng cực kì hẹp, góc phân kì của chùm
laser rất nhỏ trong khoảng 0.01 – 0.1 mrad [8]. Điều này cho thấy rằng công suất
phát chỉ tập trung trong vùng rất hẹp, do đó tạo ra một đường truyền FSO với sự
cách ly đủ về mặt không gian để tránh nhiễu từ các đường truyền FSO khác [8, 9].
Page | 16

Mặt khác, sự giới hạn trong một không gian hẹp cho phép các chùm laser hoạt động
gần như độc lập vì vậy hầu như là khơng giới hạn khả năng sử dụng lại tần số. Tuy
nhiên, búp sóng hẹp đồng nghĩa với yêu cầu đồng bộ thu phát phải cực kì chặt chẽ
[8, 9].
Khơng u cầu cấp phép phổ tần vơ tuyến  Bởi vì sự q tải của phổ tần vơ
tuyến, các sóng mang gần kề gây nhiễu lên nhau là vấn đề cốt lõi mà hệ thống thông
tin vô tuyến phải đối mặt. Để giảm thiểu nhiễu gây ra giữa các sóng mang có tần số
gần nhau, một vài tổ chức được thành lập để quản lý việc cấp phép sử dụng tài
nguyên tần số cho các cơ quan, doanh nghiệp. Tuy nhiên, việc cấp phát một dải tần
số vô tuyến để sử dụng phải tốn một khoản chi phí rất lớn và mất khá nhiều thời
gian. Ngược lại trong truyền thông quang không dây, tài nguyên tần số gần như là
vô hạn đồng nghĩa với việc sẽ không phải chịu bất cứ sự quản lý từ tổ chức nào bởi
các sóng ánh sáng hầu như khơng gây nhiễu lên nhau ngay cả khi hai đường truyền
có cùng tần số đặt cạnh nhau [8, 9].
Giá thành rẻ  Chi phí để triển khai một hệ thống FSO là rẻ hơn nhiều so với
chi phí bỏ ra cho một hệ thống RF bởi các thành phần trong hệ thống FSO thì có giá
rẻ hơn cũng như hệ thống FSO không cần phải cấp phép phổ tần vô tuyến. Mặt
khác, so với hệ thống cáp quang thì hệ thống FSO có thể cho băng thơng và tốc độ
dữ liệu tương đương mà khơng phải mất thêm chi phí cho cáp quang cũng như việc
triển khai lắp đặt [8].
Dễ dàng triển khai lắp đặt  Thời gian cần thiết để thiết lập một đường truyền
FSO chỉ mất vài giờ. Yêu cầu then chốt là phải tạo ra một đường truyền không bị
cản trở tầm nhìn giữa máy phát và máy thu. Các thiết bị trong hệ thống FSO cũng
có thể được tháo rời và mang đi bố trí lại ở vị trí khác một cách dễ dàng và thuận
tiện [8].
Khả năng an tồn thơng tin cao  FSO là cơng nghệ khơng dây nhưng nó khơng
phát quảng bá tới bất kì người nào và tất cả mọi người. FSO phát búp sóng quang
hẹp tới một nơi xác định. Các hệ thống FSO thường phải lắp đặt càng cao càng tốt

để các phương tiện giao thông qua lại không làm ảnh hưởng tới búp sóng quang. Để
Page | 17


thu trộm được thơng tin địi hỏi phải đặt thiết bị trên đường đi của búp sóng trong
một khoảng thời gian dài, vì vậy rất khó để cho một người nào đó có ý đồ thu trộm
thơng tin một cách bất hợp pháp mà không bị phát hiện [9, 13].
Trên đây là một số những lợi thế nổi bật của cơng nghệ truyền thơng quang
khơng dây FSO, ngồi ra hệ thống FSO cịn một vài những ưu điểm khác như:
khơng gây ra nhiễu điện từ, tiêu thụ năng lượng thấp cũng như các thiết bị của hệ
thống FSO thì có trọng lượng nhẹ và nhỏ gọn do đó khá dễ dàng để di chuyển
chúng [8].
b) Thách thức của hệ thống FSO
Môi trường truyền dẫn là yếu tố cơ bản giới hạn hiệu năng của hệ thống FSO.
Có một vài những thách thức không hề nhỏ mà hệ thống FSO gặp phải khi triển
khai là hiện tượng suy hao và nhiễu loạn khí quyển. Hiện tượng suy hao trong khí
quyển gây ra bởi các quá trình hấp thụ và tán xạ do các yếu tố như sương mù, mưa,
tuyết… do đó giới hạn đáng kể khoảng cách truyền dẫn của hệ thống FSO [8]. Quan
trọng nhất phải kể tới hiện tượng nhiễu loạn khí quyển. Sự biến đổi về chỉ số khúc
xạ của lớp khơng khí do tính khơng đồng nhất về nhiệt độ và áp suất là nguyên nhân
gây ra hiện tượng này. Kết quả là tín hiệu ở phía máy thu thăng giáng liên tục và
dẫn tới gia tăng tỉ lệ lỗi BER của hệ thống FSO. Các thách thức của hệ thống FSO
được minh họa trên Hình 1.3.

Page | 18


Hình 1.3 Các thách thức của hệ thống FSO
Sương mù: Sương mù là một trong các yếu tố chính ảnh hưởng tới hệ thống
FSO. Sương mù là hơi nước được tập hợp từ các giọt nước nhỏ có đường kính vào

khoảng vài trăm micromet nhưng có thể làm thay đổi đặc tính truyền lan của ánh
sáng hoặc ngăn cản hồn tồn sự truyền lan của ánh sáng thơng qua sự kết hợp của
các quá trình hấp thụ, tán xạ và phản xạ. Điều này làm giảm mật độ công suất của
chùm tia truyền qua dẫn tới giới hạn cự ly hoạt động của hệ thống FSO [9, 14].
Sự nhấp nháy: Sự nhấp nháy là sự biến đổi về không gian của cường độ sáng
gây ra bởi nhiễu loạn khí quyển. Gió và sự thay đổi của nhiệt độ tạo ra những túi
khí có mật độ thay đổi nhanh dẫn tới sự thay đổi nhanh về chỉ số khúc xạ, đó chính
là nguyên nhân gây ra sự nhiễu loạn. Các túi khí này đóng vai trị như những thấu
kính có đặc tính thay đổi theo thời gian và làm tăng tỉ lệ lỗi bit của hệ thống FSO,
đặc biệt là khi có ánh sáng mặt trời [9, 13, 15].
Giữ thẳng hướng phát thu khi tòa nhà dao động: Việc giữ thẳng hướng giữa
khối phát và khối thu là rất quan trọng nhằm đảm bảo tín hiệu được truyền thành
cơng. Đây thực sự là vấn đề phức tạp khi hệ thống FSO sử dụng búp sóng hẹp phân
tán góc và tầm nhìn. Sự dãn nhiệt của các phần khung tòa nhà hoặc những trận động
đất yếu có thể gây ra sự lệch hướng. Trong khi sự dãn nhiệt có đặc tính chu kì theo
Page | 19


ngày hoặc mùa thì động đất lại khơng thể dự đoán được. Một nguyên nhân gây ra sự
lệch hướng nữa là gió, đặc biệt khi các thiết bị thu phát được đặt trên các tòa nhà
cao tầng. Sự dao động của tịa nhà là một q trình ngẫu nhiên làm ảnh hưởng tới
hiệu năng của hệ thống và gây ra lỗi [9, 13].
Hiện tượng trôi búp: Hiện tượng trôi búp phát sinh khi luồng gió nhiễu loạn
(gió xốy) lớn hơn đường kính của búp sóng quang dẫn tới sự dịch chuyển chậm
nhưng đáng kể của búp sóng quang. Sự trơi búp cũng có thể là hệ quả từ các hoạt
động địa chấn gây ra sự dịch chuyển tương đối giữa vị trí của bộ phát và bộ thu
[13].
Sự an tồn cho mắt: .Với sự gia tăng không ngừng của các hệ thống truyền
thông quang không dây sử dụng các búp sóng laser hướng về phía các khu vực tập
trung đơng dân cư, sự an toàn cho mắt là vấn đề đáng được lưu ý và quan tâm.

Những hệ thống FSO này phải an toàn đối với mắt, nghĩa là chúng phải khơng gây
nguy hiểm cho những người vơ tình gặp phải các búp sóng quang. Yêu cầu này rõ
ràng sẽ tạo ra giới hạn trên cho cường độ búp sóng phát của laser [13].
1.1.4 Các kiến trúc của mạng FSO
Các hệ thống FSO có thể được thiết kế và làm việc trong bất kì cấu hình mạng
nào bao gồm cấu hình lưới (mesh), điểm – điểm (point to point), điểm – đa điểm
(point to multipoint), vòng (ring) [13]. Điều này giúp cho các nhà cung cấp mạng
khu vực đô thị dễ dàng xây dựng và mở rộng mạng tốc độ cao tới các khách hàng
a) Kiến trúc mạng lưới
Hình 1.4 minh họa một mạng lưới, bao gồm một chuỗi các nút mạng được kết
nối với nhau với mức độ dư thừa nhất định cho việc dự phòng. Trong các mạng kiểu
này, tất cả các nút mạng đều được kết nối với các nút khác một cách trực tiếp hoặc
thông qua một số chặng. Mức dư thừa trong mạng quyết định mức kết nối trong
mạng. Do đó, số lượng nút mạng càng nhiều thì mức dư thừa kết nối càng lớn, khả
năng đảm bảo liên lạc càng cao. Kiến trúc mạng lưới có độ tin cậy cao, dễ thêm nút
mạng nhưng bị giới hạn về khoảng cách [13].

Page | 20


Hình 1.4 Kiến trúc mạng lưới
b) Kiến trúc mạng điểm – đa điểm
Hình 1.5 minh họa một kiến trúc mạng điểm – đa điểm, trong kiến trúc này, một
nút mạng đóng vai trị như một nút khởi đầu và nhiều đường truyền quang vô tuyến
được bắt nguồn từ nút này. Phương pháp tối ưu nhất là nối mỗi tuyến FSO tới một
thiết bị lớp 2 hoặc lớp 3 đặt trong một phịng của tịa nhà. Sau đó, các tuyến này
được nối bằng sợi quang tới bộ chuyển mạch hoặc định tuyến đặt ở vị trí bất kì
trong tịa nhà, có thể là ở tầng trên cùng hay ở một phòng khác. Kiến trúc điểm – đa
điểm cung cấp kết nối với chi phí rẻ hơn và thuận tiện cho việc thêm nút mạng với
chi phí về băng thơng thấp hơn kiến trúc điểm – điểm [13].

Page | 21


Hình 1.5 Kiến trúc mạng điểm- đa điểm
c) Kiến trúc mạng nhiều tuyến điểm – điểm
Kiến trúc mạng nhiều tuyến điểm – điểm được chỉ ra trong Hình 1.6, trong kiến
trúc này, đường truyền giữa nút nguồn và nút đích sẽ được chia làm nhiều chặng và
tín hiệu quang sẽ được truyền từ nguồn phát tới đích thơng qua các nút chuyển tiếp
trung gian được bố trí nối tiếp nhau. Kiến trúc mạng này thích hợp cho các trường
hợp cần mở rộng cự ly truyền dẫn vượt quá cự ly giới hạn hoặc bị bắt buộc phải rút
ngắn cự ly tuyến quang do vấn đề thời tiết, đây là kiểu kết nối giành riêng với khả
năng cung cấp băng tần rộng hơn [13].

Page | 22