Đang tải... (xem toàn văn)
Nội dung của bản tóm tắt luận án trình bày tổng quan về vấn đề nghiên cứu, mô hình kênh truyền thông quang không dây, các giải pháp cải thiện hiệu năng hệ thống FSO điểm - điểm, đề xuất mô hình và giải pháp cải thiện hiệu năng hệ thống FSO điểm - đa điểm.
BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG IT PHẠM THỊ THÚY HIỀN PT NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CẢI THIỆN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY IL C Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thơng Mã số: 62.52.02.08 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN S Ĩ KỸ THUẬT Hà Nội - 2016 Công trình hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Trung Hiếu PT IT TS Vũ Tuấn Lâm Phản biện 1: PGS.TS Trương Vũ Bằng Giang Phản biện 2: PGS.TS Hồ Quang Quý IL C Phản biện 3: PGS.TS Đỗ Trọng Tuấn Luận án bảo vệ trước hội đồng chấm luận án cấp Học viện họp tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG vào hồi: 30, ngày 25 tháng 11 năm 2016 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia Việt Nam Thư viện Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU IL C PT IT Truyền thông quang không dây công nghệ sử dụng sóng mang quang để truyền tải số liệu qua khơng gian Các ưu điểm mà hệ thống truyền thông quang khơng dây có bao gồm tốc độ truyền bit cao, không bị ảnh hưởng nhiễu điện từ, không yêu cầu xin cấp phép tần số, triển khai nhanh linh hoạt, chi phí hiệu Truyền thơng quang không dây lên công nghệ phát triển cho ứng dụng khơng dây băng rộng nhà ngồi trời cho truyền thơng tương lai Các hệ thống truyền thông quang không dây (FSO – Free Space Optics) trời sử dụng kết nối LOS (Line of Sight) trực tiếp từ phát đến thu Do cự ly truyền dẫn xa, chịu ảnh hưởng nhiều môi trường truyền dẫn trời nên việc triển khai hệ thống FSO hạn chế Để đáp ứng u cầu truyền thông băng rộng, cự ly xa; hệ thống FSO cần vượt qua thách thức đến từ ảnh hưởng môi trường không gian tự suy hao truyền dẫn lớn phụ thuộc môi trường, thời tiết; thăng giáng cường độ tín hiệu phân cực tín hiệu ảnh hưởng nhiễu loạn khơng khí lệch hướng Ngồi có ảnh hưởng nhiễu tạp âm phát/thu Do ảnh hưởng yếu tố nêu trên, hiệu hệ thống FSO bị hạn chế truyền dẫn số liệu tốc độ cao, cự ly xa Mục tiêu mà luận án hướng tới nghiên cứu tìm kiếm giải pháp cải thiện hiệu hệ thống truyền thông quang không dây ảnh hưởng mơi trường truyền dẫn khí (suy hao, nhiễu loạn…) loại nhiễu Để đạt mục tiêu này, luận án phải xây dựng mơ hình giải tích để mơ hình hóa kênh truyền khí khảo sát hiệu hệ thống truyền thông quang không dây sử dụng kỹ thuật cải thiện hiệu đề xuất Đối tượng nghiên cứu luận án hệ thống truyền thông quang không dây hiệu hệ thống Phạm vi nghiên cứu giới hạn với hệ thống truyền thơng quang khơng dây ngồi trời Đồng thời, hệ thống nghiên cứu kịch truyền thông đơn hướng Tham số hiệu hệ thống đánh giá, khảo sát luận án tỉ số tín hiệu nhiễu tỉ lệ lỗi bit Để đạt mục tiêu nghiên cứu nêu trên, nhiệm vụ nghiên cứu trình thực luận án xác định bao gồm: (1) nghiên cứu tổng quan FSO, (2) đề xuất giải pháp cải thiện hiệu hệ thống FSO (3) kiểm chứng giải pháp đề xuất Phương pháp nghiên cứu sử dụng luận án nghiên cứu lý thuyết dựa mơ hình giải tích với cơng cụ tốn học kết hợp với mơ Luận án bố cục thành bốn chương nội dung sau: Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu IT Chương 2: Mơ hình kênh truyền thơng quang khơng dây Chương 3: Các giải pháp cải thiện hiệu hệ thống FSO điểm-điểm PT Chương 4: Đề xuất mơ hình giải pháp cải thiện hiệu hệ thống FSO điểm-đa điểm CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU IL C 1.1 HỆ THỐNG FSO Sơ đồ khối tuyến FSO thể hình 1.1 Bộ phát Thấu kính phát Kênh truyền FSO Hấp thụ Tán xạ Bộ thu Thấu kính thu Nhiễu loạn Nhiễu xạ Bộ lọc quang Nguồn quang (LED/LASER ) Bộ tách sóng quang Số liệu phát Bộ điều chế Xử lý sau tách sóng Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống FSO Số liệu khôi phục IT Bộ phát có nhiệm vụ điều chế liệu băng gốc thành tín hiệu quang sau truyền qua không gian tới thu Phương thức điều chế sử dụng rộng rãi phát điều chế cường độ (IM), cường độ phát xạ nguồn quang điều chế số liệu cần truyền Ánh sáng từ nguồn quang tập hợp thấu kính phát trực tiếp qua khơng gian đến phía thu Kênh truyền FSO chứa phân tử khí, hạt bụi, khói có hình thái thời tiết khác mưa, sương mù,… môi trường không đồng nhất, trường quang truyền qua bầu khí bị tán xạ bị hấp thụ dẫn đến suy giảm công suất Một điểm quan trọng khác kênh truyền FSO tính nhiễu loạn Các phần tử thu bao gồm phần tử thu tín hiệu quang, lọc thơng dải quang, tách sóng quang mạch xử lý tín hiệu 1.2 CÁC THAM SỐ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG Tỉ số tín hiệu nhiễu SNR Tỉ lệ lỗi bit BER Dung lượng kênh C Xác suất ngưỡng PT - IL C 1.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG Sương mù Sự nhấp nháy Sự lệch hướng thu – phát Nhiễu hệ thống FSO 1.4 CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 1.4.1 Các cơng trình nghiên cứu nước Ở Việt Nam số lượng kết nghiên cứu vấn đề liên quan đến hệ thống FSO hạn chế 1.4.2 Các cơng trình nghiên cứu giới 1.4.2.1 Các nghiên cứu mô hình hóa kênh FSO Tính tốn ảnh hưởng kênh truyền lên tín hiệu, bao gồm: Tổn hao hình học phân kỳ búp sóng quang lan truyền qua khí quyển; Tổn hao lệch hướng dạng tổn hao hình học bắt nguồn từ lệch hướng phát thu; Tổn hao khí bắt nguồn từ hai PT IT nguyên nhân hấp thụ tán xạ; Pha-đinh nhiễu loạn khí có ngun nhân từ khơng đồng nhiệt độ áp suất khí 1.4.2.2 Các nghiên cứu đánh giá hiệu hệ thống FSO Hiệu hệ thống FSO khảo sát đánh giá ảnh hưởng tổn hao đường truyền điều kiện thời tiết khác nhau, ảnh hưởng nhiễu loạn ảnh hưởng lệch hướng thu-phát Kết khảo sát hiệu cho thấy, hiệu hệ thống FSO chịu ảnh hưởng mạnh nhiễu loạn lệch hướng Dưới ảnh hưởng yếu tố này, để đảm bảo hiệu truyền dẫn, hệ thống FSO bị giới hạn cự ly truyền dẫn khoảng vài km 1.4.2.3 Các nghiên cứu giải pháp cải thiện hiệu Các giải pháp cải thiện hiệu chia thành nhóm giải pháp kỹ thuật điều chế nâng cao, kỹ thuật mã hoá kênh, kỹ thuật phân tập kỹ thuật chuyển tiếp 1.5 HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN IL C 1.5.1 Nhận xét cơng trình nghiên cứu tác giả khác a) Các nghiên cứu mơ hình kênh - Chưa đề cập đến ảnh hưởng dãn xung tín hiệu lên hiệu hệ thống FSO - Chưa có nhiều nghiên cứu phản ánh tham số búp sóng quang mơ hình kênh FSO b) Các nghiên cứu phân tích đánh giá hiệu - Chủ yếu tập trung vào hệ thống FSO điểm-điểm - Chưa có đánh giá cách đầy đủ tham số đường truyền, chẳng hạn ảnh hưởng lệch hướng thường xét tới Đặc biệt ảnh hưởng tham số búp sóng quang đến hệ thống FSO chuyển tiếp đa chặng chưa quan tâm nghiên cứu c) Các nghiên cứu cải thiện hiệu Các nghiên cứu trước thường tập trung vào việc sử dụng giải pháp kỹ thuật cách riêng rẽ mà chưa có kết hợp nhiều giải pháp kỹ thuật đồng thời, dẫn đến khả cải thiện hiệu hạn chế Còn PT 1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG IT công trình cơng bố liên quan đến việc triển khai hệ thống đa truy nhập quang không dây dựa công nghệ FSO 1.5.2 Hướng nghiên cứu luận án Trên sở kết phân tích hạn chế nghiên cứu liên quan, hướng nghiên cứu đề xuất luận án là: (1) Đề xuất mơ hình kênh FSO kết hợp nhằm phản ánh đầy đủ ảnh hưởng kênh truyền lên tín hiệu quang (2) Nghiên cứu giải pháp cải thiện hiệu hệ thống FSO điểmđiểm thông qua việc sử dụng kết hợp kỹ thuật chuyển tiếp với kỹ thuật điều chế phân tập không gian nhằm cải thiện hiệu hệ thống FSO (3) Đề xuất mơ hình giải pháp cải thiện hiệu hệ thống FSO điểm-đa điểm nhằm ứng dụng công nghệ FSO mạng truy nhập IL C Nội dung Chương trình bày khái qt mơ hình, ngun lý hoạt động, tham số hiệu yếu tố ảnh hưởng lên hiệu hệ thống FSO Ngoài ra, tình hình nghiên cứu ngồi nước liên quan đến hệ thống FSO nói chung hiệu hệ thống FSO nói riêng phân tích, đánh giá chương Qua phân tích, đánh giá tình hình nghiên cứu liên quan, hạn chế nghiên cứu trước mơ hình kênh FSO, phân tích hiệu phương pháp cải thiện hiệu hệ thống FSO Trên sở hạn chế này, hướng nghiên cứu luận án đề xuất mơ hình kênh bổ sung tham số giải pháp cải thiện hiệu hệ thống FSO dựa kỹ thuật chuyển tiếp việc sử dụng kết hợp kỹ thuật với kỹ thuật phân tập không gian, điều chế PPM đa truy nhập phân chia theo mã CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN THƠNG QUANG KHƠNG DÂY 2.1 MỞ ĐẦU Mơ hình kênh truyền thơng quang khơng dây ngồi trời môi trường động phức tạp Ảnh hưởng mơi trường lên búp sóng quang gây tổn hao công suất, thăng giáng biên độ pha tín hiệu quang nhiễu loạn khí Ngồi ra, ảnh hưởng lệch hướng tác động lên tổn hao hình học làm cho cơng suất tín hiệu quang thu thay đổi Đặc tính kênh truyền khí mang chất ngẫu nhiên, ảnh hưởng đặc tính hóa mơ hình thống kê 2.2 SUY HAO ĐƯỜNG TRUYỀN IT Sự suy hao tín hiệu bầu khí hệ q trình hấp thụ tán xạ Với tuyến FSO mặt đất, cường độ tín hiệu thu khoảng cách L từ phát có quan hệ với cường độ tín hiệu phát theo quy luật Beer – Lambert sau: hla exp L (2.1) -1 a (tính theo đơn vị m ) hệ số suy hao h l suy hao tổng bước sóng 2.3 NHIỄU LOẠN KHÍ QUYỂN PT 2.3.1 Mơ hình nhiễu loạn Log-chuẩn Với điều kiện nhiễu loạn yếu, hàm mật độ xác suất cường độ trường quang thu, I, mô hình hóa theo phân bố log-chuẩn ln I / I El 2 exp 2 l2 2l2 I IL C pI (2.27) phương sai log-cường độ trường l trị trung bình log-cường độ El xác định theo l2 1,23Cn2 k s / L11/ El l2 / , với Cn tham số cấu trúc số khúc xạ, ks số sóng L cự ly truyền dẫn 2.3.2 Mơ hình nhiễu loạn Gamma-Gamma Mơ hình nhiễu loạn Gamma-Gamma sử dụng để mơ hình hóa kênh nhiễu loạn khí trung bình đến mạnh Hàm mật độ xác suất cường độ trường xác định theo: pI 2 I / 1 K I ; I (2.37) đó, đại diện cho số lượng hiệu dụng xốy kích thước lớn xốy kích thước nhỏ q trình tán xạ Kn (.) hàm Bessel sửa đổi loại bậc n (.) hàm Gamma 2.4 MƠ HÌNH PHA-ĐINH DO LỆCH HƯỚNG Sự lệch hướng độ dịch tâm búp sóng quang tâm thấu kính thu Hàm phân bố xác suất hệ số phản ánh tổn hao hình học lệch hướng, h p , xác định: f h hp p 2 2 A0 hp 1 , h p A0 (2.45) với z / 2 s tỉ số bán kính búp sóng quang tương đương thu zeq độ lệch chuẩn lệch hướng máy thu 2 s , A0 tỷ lệ công suất thu tâm búp sóng thu IT eq PT 2.5 MƠ HÌNH ẢNH HƯỞNG CỦA DÃN XUNG IL C Hệ số suy giảm cơng suất dãn xung, h l b , định nghĩa sau [J2], [C3], [C7]: P Tb 2 hlb r b Ar t dt (2.51) T Pt Pt Tb b Pr-b cơng suất trung bình xung quang xét giới hạn thời gian bit có tính đến ảnh hưởng dãn xung, Pt cơng suất trung bình khơng xét đến ảnh hưởng dãn xung, Tb độ rộng bit Hệ số suy giảm công suất bổ sung vào mơ hình kênh kết hợp nhằm phản ánh đầy đủ ảnh hưởng đường truyền lên tín hiệu quang 2.6 MƠ HÌNH KÊN H KẾT HỢP BỔ S UNG THAM SỐ Trong mơ hình kênh kết hợp đề xuất luận án này, h bao gồm bốn thành phần (1) suy hao đường truyền h l a , (2) tổn hao dãn xung h l b , (3) tổn hao hình học lệch hướng h p (4) nhiễu loạn khơng khí h a Do đó, tham số trạng thái kênh biểu diễn sau: h hla hlb h p hl h p đó, hl hla hlb coi không đổi với điều kiện đường truyền xác định; h p h a ngẫu nhiên Trạng thái kênh kết hợp cho hai trường hợp nhiễu loạn Log-chuẩn Gamma-Gamma nhận cơng thức (2.58a,b) Mơ hình kênh kết hợp Log-chuẩn f h h; z 2 A h h 2 1 h / A0 hl l ln 2 X2 exp 8 X2 2 X2 2ha dh a Mơ hình kênh kết hợp Gamma-Gamma f h h; z 2 / A h h 1 1 K ha dha h / A0 hl l 2.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG IL C PT IT Chương trình bày đóng góp nghiên cứu sinh việc đưa bổ sung tham số phản ánh ảnh hưởng dãn xung lên tín hiệu quang vào mơ hình kênh FSO Tham số phản ánh ảnh hưởng dãn xung lên tín hiệu quang xây dựng dựa giả thiết xung quang có dạng Gauss, có tính thực tế cao so với giả thiết xung quang có dạng xung vng phần lớn nghiên cứu sử dụng CHƯƠNG 3: CÁC GIẢI PHÁP CẢI THIỆN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO ĐIỂM-ĐIỂM 3.1 HỆ THỐNG FSO ĐIỂM-ĐIỂM SỬ DỤNG CHUYỂN TIẾP Trong hệ thống FSO điểm-điểm sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp, tín hiệu từ nút nguồn (bộ phát) truyền tới nút đích (bộ thu) qua nút trung gian gọi nút chuyển tiếp (Ri ) Kỹ thuật truyền dẫn chuyển tiếp giúp tăng cự ly truyền dẫn độ tin cậy hệ thống FSO cách chia quãng đường truyền dẫn thành chặng nhỏ, làm giảm ảnh hưởng pha-đinh môi trường truyền dẫn chặng Trong hệ thống FSO điểm-điểm sử dụng chuyển tiếp, kết nối tầm nhìn thẳng LOS không bắt buộc hệ thống FSO điểm-điểm thông thường 3.2 HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO CHUYỂN TIẾP ĐIỆN Ảnh hưởng nhiễu loạn lệch hướng lên hiệu hệ thống FSO chuyển tiếp quan tâm xem xét nghiên cứu 10 dụng h i hệ số kênh suy hao ngẫu nhiên kênh truyền nút (i-1) nút i 3.2.3 Tỉ lệ lỗi bit BER Xác suất ký hiệu chặng thứ i, Pi (i = 1,2, …, Kr ), xác định theo: M 1 i G 2,3 Pt 1 rrx 2 A0,i hil i ,1 i ,1 i ,1 4,3 4ef 1 rrx i i 0, , i i i 2 Pi (3.10) Giả sử xác suất lỗi chặng độc lập với nhau, xác suất lỗi ký hiệu từ nguồn tới đích (Pe) xác định [J3]: Kr 1 i 1 IT Pe 1 Pi (3.11) BER tổng hệ thống xác định từ Pe theo công thức: M Pe 2M 1 PT BER (3.12) IL C 3.2.4 Kết khảo sát hiệu hệ thống FSO chuyển tiếp điện Tham s ố kết hợ p nguồn Hình 3.4 BER theo tham s ố kết hợp nguồn với hệ thống sử dụng điều chế OOK, Ps = d Bm, L = km, Kr = 3, 2a = 20 cm, Cn = 10-14 [J3] Trong Hình 3.4, BER khảo sát theo tham số kết hợp nguồn, S , tham số tỷ lệ thuận với kích thước búp sóng quang máy thu, giá trị S cao kích thước búp sóng máy thu lớn Việc lựa chọn giá trị S có vai trò định đến hiệu hệ thống FSO chuyển tiếp điện Giá trị S nhỏ dẫn đến búp sóng hẹp hệ thống chịu ảnh hưởng mạnh 11 lệch hướng Ngược lại, giá trị S lớn làm cho búp sóng rộng hệ thống chịu ảnh hưởng mạnh tổn hao hình học 3.3 HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO CHUYỂN TIẾP QUANG IL C PT IT Trong nghiên cứu hiệu hệ thống FSO chuyển tiếp quang tác giả trước, thường xét đến ảnh hưởng suy hao mà chưa tính đến ảnh hưởng nhiễu loạn có xét đến ảnh hưởng nhiễu loạn yếu Trong phần này, nghiên cứu sinh đề xuất giải pháp cải thiện hiệu BER hệ thống FSO chuyển tiếp quang hai chặng sử dụng kỹ thuật OAF kênh nhiễu loạn khí trung bình đến mạnh [C4], [J4] Q trình xây dựng cơng thức tính BER dạng dạng tường minh có tính đến loại nhiễu khác bao gồm nhiễu lượng tử, nhiễu nền, nhiễu xạ tự phát khuếch đại (ASE) nhiễu nhiệt trình bày chương [J4] 3.3.1 Hệ thống FSO hai chặng chuyển tiếp quang sử dụng OAF Mơ hình hệ thống FSO hai chặng chuyển tiếp quang sử dụng kỹ thuật OAF thể Hình 3.8 Hình 3.8 Mơ h ình hệ thống FSO chuyển tiếp quang hai chặng sử dụng OAF 3.3.2 Tỉ số tín hiệu nhiễu SNR Tỉ số tín hiệu điện nhiễu nút đích sử dụng điều chế PPM xác định theo công thức: SNR I s2 s2 n2 (3.18) Trong Is cường độ dòng điện, phương sai tổng nhiễu trường hợp khe có tín hiệu (s ) khe khơng có tín hiệu (n ) 3.3.3 Tỉ lệ lỗi bit BER Định nghĩa Pe xác suất lỗi ký hiệu, tỉ số lỗi bit BER hệ thống điều chế M-PPM xác định theo BER M Pe 2M 1 12 Công thức BER dạng tường minh tính Pe a) Trường hợp 1: xét ảnh hưởng nhiễu lượng tử gây tín hiệu từ nút nguồn Pe 1 1 M 1 1 1 G02,,20 1hsra 1 1, 1 1 P G h l h l t A sr rd hsra hrda dhsra dhrda 1, 1 , 4eBe P G h l h l ,1 ,1 1 ,1 1 ,1 M 1 t A sr rd G52,,24 0, 4eBe1 1 1 1 G G02,,20 hrda 2, 1, (3.21) G M 12 3 1 1 2, 7, 3/ PT Pe IT b) Trường hợp 2: xét ảnh hưởng nhiễu nhiễu ASE từ nút chuyển tiếp 1 1 1 ,1 , , , , ,1 2 Pt G A hsrl hrdl 2 2 eBe Pb G PA 1 0, (3.23) IL C c) Trường hợp 3: xét nhiễu nhiễu nhiệt nút đích M 12 5 G 2,8 Pe / 1 1 9, 1 2 32 Pt G A hsrl hrdl 2k TB eBe Pb B e 1 1 RL 2 2 1 1 , , , , , , , ,1 2 2 2 2 0, (3.25) 3.3.4 Kết khảo sát hiệu hệ thống FSO chuyển tiếp quang Trong Hình 3.9, BER khảo sát theo công suất phát bit trường hợp 4-PPM Hình 3.9 BER lớn trường hợp 3, trường hợp xét đến nhiễu nhiễu nhiệt nút đích Điều có nghĩa ảnh hưởng nhiễu nhiễu nhiệt nút đích đóng vai trò lớn so với thành phần nhiễu khác đến từ nút nguồn nút chuyển tiếp Ngồi ra, Hình 3.9 thể rõ ràng hệ thống FSO đơn chặng yêu cầu công 13 IT suất phát cao nhiễu loạn thành phần nhiễu Nhờ kỹ thuật OAF, công suất phát yêu cầu giảm tương ứng với hệ số khuếch đại PT Cơng suất phát bit, Ps (dBm) Hình 3.9 BER theo Ps với GA = 10 d B, Rb = Gb/s, d sr = d rd = 1,5 km 3.4 CẢI THIỆN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO ĐIỂM-ĐIỂM SỬ DỤNG GIẢI PHÁP KẾT HỢP IL C Trong luận án này, nghiên cứu sinh đề xuất sử dụng kết hợp kỹ thuật chuyển tiếp với kỹ thuật phân tập không gian điều chế M-PPM [C5] Như phân tích Chương 1, M-PPM kỹ thuật có hiệu sử dụng lượng cao giúp giảm công suất phát yêu cầu Kỹ thuật phân tập không gian giúp cải thiện hiệu dung lượng hệ thống Hạn chế kỹ thuật phân tập không gian yêu cầu đường truyền LOS Tuy nhiên, kết hợp với kỹ thuật chuyển tiếp, hạn chế khắc phục Để kết hợp tín hiệu từ nhiều đầu thu, hai kỹ thuật kết hợp đề xuất sử dụng kết hợp độ lợi cân (EGC) kết hợp tỉ số cực đại (MRC) Kết nghiên cứu đưa công thức tính BER hệ thống đề xuất ảnh hưởng nhiễu loạn mạnh, lệch hướng, nhiễu nhiễu nhiệt [C5] 3.4.1 Mơ hình hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng M-PPM SIMO Mơ hình hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng M-PPM SIMO đề xuất Hình 3.13 [C5] 14 Hình 3.13 Mơ hình hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng M-PPM SIM O 5, Pt A0hil, k PiEGC M 1 G 1,5 ii 32 Pt A0 hil,k G51,,52 ii , , , , 2 2 0, 2 , , , , 2 2 0, N (3.29) IL C PT 3 IT 3.4.2 Hiệu hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng M-PPM SIMO 3.4.2.1 Xác suất lỗi ký hiệu trường hợp sử dụng EGC Xác suất lỗi ký hiệu chặng thứ i, ký hiệu PiEGC xác định theo cơng thức dạng tường minh sau [C5]: 3.4.2.2 Xác suất lỗi ký hiệu trường hợp sử dụng MRC Ta ký hiệu PiMRC xác suất lỗi ký hiệu chặng thứ i máy thu sử dụng kết hợp MRC Công thức dạng tường minh cho PiMRC với giả thiết kênh Gamma-Gamma phân bố độc lập viết sau [C5]: PiMRC l , , , , 3 P A h M 1 1 G1,5 t i ,k 2 2 5, 2 i N i 0, 32 Pt A0 hil, k G51,,52 3N ii N , , , , 2 2 0, (3.32) 15 3.4.2.3 Tỷ lệ lỗi bit BER Giả thiết hệ thống FSO đa chặng phân tích có (Kr + 1) chặng (Kr nút chuyển tiếp) với xác suất lỗi ký hiệu chặng thứ i Pi (i = 1, 2,…, Kr + 1), xác suất lỗi ký hiệu tổng toàn hệ thống từ nút nguồn đến nút đích tính theo cơng thức [C5]: Kr 1 Pe 2e 1 Pi (3.33) i 1 BER M Pe 2e 2M 1 IT đó, xác suất lỗi chặng giả thiết độc lập với Từ xác suất lỗi ký hiệu tổng, xác suất lỗi bit xác định cách tương tự hệ thống phân tích ta có cơng thức: (3.34) PT 3.4.3 Kết khảo sát hiệu hệ thống FSO chuyển tiếp M -PPM S IMO IL C FSO đơn chặng RX; FSO đơn chặng RX; FSO đa chặng, K r = Công suất phát bit Ps (dBm) Hình 3.15 BER theo cơng suất phát bit hệ thống FSO đơn/đa chặng với Rb = Gb it/s L = km [C5] Ưu điểm truyền dẫn chuyển tiếp đa chặng thể Hình 3.15 Kết phân tích hiệu cho thấy, việc sử dụng truyền dẫn đa chặng với nút chuyển tiếp đem lại độ lợi khoảng 17 dB so với hệ thống đơn chặng điều kiện hệ thống sử dụng tách sóng quang Kết Hình 3.15 cho thấy sử dụng kết hợp 4-PPM với tách sóng quang cho phân tập thu nút chuyển tiếp cho truyền dẫn đa 16 chặng, hệ thống FSO đạt lỗi bit 10-9 với công suất phát yêu cầu dBm 3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG IT Chương trình bày đóng góp nghiên cứu sinh việc xây dựng mơ hình giải tích khảo sát hiệu đề xuất giải pháp cải thiện hiệu hệ thống FSO chuyển tiếp Kết khảo sát hiệu hệ thống FSO chuyển tiếp điện chuyển tiếp quang cho thấy rằng, kỹ thuật chuyển tiếp giúp cải thiện đáng kể hiệu cự ly truyền dẫn hệ thống Cuối cùng, việc sử dụng kết hợp kỹ thuật chuyển tiếp với phân tập thu điều chế PPM giải pháp đơn giản hiệu giúp cải thiện hiệu hệ thống FSO chuyển tiếp điều kiện nhiễu loạn mạnh lệch hướng PT CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH VÀ GIẢI PHÁP CẢI THIỆN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO ĐIỂM-ĐA ĐIỂM 4.1 HỆ THỐNG FSO ĐIỂM-ĐA ĐIỂM IL C Mơ hình tổng quát hệ thống FSO/CDMA minh họa hình 4.1 Hiệu hệ thống FSO/CDMA điểm-đa điểm chịu ảnh hưởng nhiễu loạn khí yếu tố ảnh hưởng khác Ngoài ra, môi trường đa người dùng, nhiễu đa truy nhập (MAI) yếu tố ảnh hưởng lên hiệu hệ thống FSO/CDMA Cuối cùng, tín hiệu phát dạng xung quang hẹp (dưới dạng chip quang), nên ảnh hưởng dãn xung cần phải khảo sát, đánh giá Nội dung chương bố cục thành hai phần chính: (1) phân tích hiệu hệ thống FSO/CDMA sử dụng điều chế M-PPM ảnh hưởng suy hao, nhiễu loạn, dãn xung, loại nhiễu từ đề xuất phương thức điều chế PPM đa bước sóng MWPPM nhằm cải thiện hiệu hệ thống FSO/CDMA; (2) đề xuất mơ hình giải pháp cải thiện hiệu hệ thống FSO/CDMA dựa kỹ thuật chuyển tiếp, sau khảo sát hiệu truyền dẫn hệ thống đề xuất 17 Bộ phát Bộ thu Thấu kính Mã Mã T/h CDMA Bộ phát Bộ chia Mã Mã Bộ phát U Sợi quang Mã U Người dùng Bộ thu Bộ thu U Mã U Kênh FSO Trạ m trung tâm IT Hình 4.1 Mơ h ình tổng qt hệ thống FSO/CDMA 4.2 CẢI THIỆN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO/CDMA SỬ DỤNG MWPPM IL C PT Để giảm ảnh hưởng nhiễu loạn khí lên hiệu hệ thống FSO/CDMA, phương thức điều chế M-PPM đề xuất sử dụng nghiên cứu Trong điều kiện tốc độ truyền dẫn khơng cao khơng tính đến ảnh hưởng dãn xung, nghiên cứu trước cho thấy sử dụng M-PPM giải pháp hiệu Tuy nhiên, để có đánh giá tồn diện hiệu hệ thống FSO/CDMA, ảnh hưởng dãn xung cần khảo sát đánh giá Trong nội dung nghiên cứu này, nghiên cứu sinh sử dụng mô hình lan truyền xung Gauss, mơ hình có tính thực tế cao, để đánh giá ảnh hưởng dãn xung [C7] Ngoài ra, để tránh ảnh hưởng dãn xung sử dụng điều chế M-PPM mức cao (M lớn xung hẹp), nghiên cứu sinh đề xuất phương thức điều chế vị trí xung đa bước sóng MWPPM [C7] MWPPM kết hợp kỹ thuật PPM kỹ thuật điều chế khóa dịch bước sóng WSK 4.2.1 Kỹ thuật điều chế MWPPM Điều chế Ws -M-PPM kết hợp Ws -WSK M-PPM, Ws số bước sóng M số mức điều chế PPM 4.2.2 Mơ hình hệ thống FSO/CDMA sử dụng MWPPM Hệ thống FSO/CDMA sử dụng Ws -M-MWPPM minh họa Hình 4.4 [C7] 18 Ar(t) Ai(t) λi MAI W Tw D liệu o MAI Ts Tw Bộ điều chế Bộ MWPPM OCDMA Bộ ạo Tw Kênh vô tuyến h a Tw Bộ i i OCDMA h1(t) MWPPM Bộ ạo Bộ thu #1 h2(t) Bộ h t #1 D liệu Bộ i i điều chế Bộ h t #2 hK(t) MAI Bộ h t #K IT Hình 4.4 Hệ thống FSO/ CDMA sử dụng MWPPM 4.2.3 Hiệu hệ thống FSO/CDMA sử dụng MWPPM Tương tự điều chế PPM, BER hệ thống FSO/CDMA sử dụng BER PT MWPPM tính dựa xác suất lỗi ký hiệu (Pe) theo công thức B Pe 2B 1 IL C Với Pe xác định theo công thức: Pe U 1 W s 1 M 1 PrI v 1 u 1 0, I u ,v s s0 B 1 Pr 1,0 l1 Pr I 0,0 I 1,0 s s0 , 1,0 l1 l1 0 (4.7) đó, s ký hiệu phát 1,0 tổng số xung nhiễu tới ký hiệu s1 I 0,0 I 1,0 dòng tách quang tương ứng cho ký hiệu s0 s1 Hình 4.5 thể BER hệ thống FSO/CDMA sử dụng M-PPM Ws -M-MWPPM theo công suất phát bit L = km, U = 32 người sử dụng Rb = Gb/s Kết cho thấy phương thức điều chế PPM MWPPM giúp cải thiện hiệu hệ thống FSO/CDMA Tuy nhiên, M-PPM với M > 16 không giúp cải thiện hiệu so với 8-PPM Thậm chí 32-PPM cho hiệu 8-PPM Đó hệ thống 32-PPM có tốc độ chip cao ảnh hưởng dãn xung mạnh so với ảnh hưởng nhiễu loạn 19 4.2.4 Kết khảo sát hiệu hệ thống FSO/CDMA sử dụng MWPPM PT IT Hạn chế M-PPM với M lớn khắc phục cách sử dụng Ws -M-MWPPM có khả làm giảm đồng thời ảnh hưởng thăng giáng cường độ tín hiệu ảnh hưởng dãn xung Hình 4.5 thể rằng, sử dụng mức điều chế, yêu cầu công suất phát tỉ lệ lỗi bit hệ thống sử dụng 2-8-MWPPM thấp khoảng 3dB so với hệ thống sử dụng 16-PPM IL C Công suất phát bit Ps (dBm) Hình 4.5 BER theo cơng suất phát bit với L=1,5 km, g 30 , U = 32 Rb =1 Gb/s [C7] 4.3 CẢI THIỆN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO/CDMA CHUYỂN TIẾP Trong phần này, nghiên cứu sinh đề xuất sử dụng truyền dẫn chuyển tiếp để làm giảm ảnh hưởng nhiễu loạn khí hệ thống FSO/CDMA [J5], [C6] Cơ chế chuyển tiếp hay sử dụng nút chuyển tiếp chế tách chuyển tiếp mức bit (BDF) Tuy nhiên, việc sử dụng kỹ thuật BDF hệ thống FSO/CDMA chuyển tiếp phức tạp cần thiết phải tách sóng đa người dùng nút chuyển tiếp Do đó, nghiên cứu sinh đề xuất thay cách sử dụng chế tách chuyển tiếp mức chip (CDF) [J5], [C6] Trong hệ thống FSO/CDMA sử dụng chế CDF, nút chuyển tiếp phát chip “1” “0”, dựa giá trị ngưỡng sau chuyển tiếp chúng tới nút mà không tác động đến mức bit người dùng Hơn nữa, việc sử 20 dụng CDF kết hợp dễ dàng với việc áp dụng tách AND sử dụng máy thu để chống lại ảnh hưởng MAI 4.3.1 Mô hình hệ thống FSO/CDMA chuyển tiếp Mơ hình hệ thống FSO/CDMA chuyển tiếp với U người dùng Kr nút chuyển tiếp Hình 4.8 [C6] IT hKr +1(t) Hình 4.8 Mơ hình hệ thống FSO/CDMA chuyển tiếp [J5] PT 4.3.2 Mã nguyên tố Trong hệ thống FSO/CDMA chuyển tiếp đề xuất, mã nguyên tố 2D sử dụng để cung cấp truy nhập cho nhiều người 4.3.3 Hiệu BER hệ thống FSO/CDMA chuyển tiếp IL C 4.3.3.1 Tỉ lệ lỗi bit BER Giả sử hệ thống phục vụ U người dùng, có người dùng mong muốn U - người dùng lại người dùng gây nhiễu tiềm BER tổng tính điều kiện: có k người dùng (trong U – người dùng gây nhiễu tiềm năng) truyền bit “1” Giả sử tất người dùng phát bit “1” “0” với xác suất 0,5 BER tính theo cơng thức [J5]: U 1 U 1U 2 pbe 01, k pbe 1 0, k BER k 1 k (4.12) với pbe 0 1, k pbe 1 0, k xác suất lỗi bit có điều kiện tách bit “1” bit “0” thu cuối ps p j p j pbe 0 1, k s p e 2e 0 1, k 1 p e 2e 0 1, k s j j 1 (4.13) 21 ps pbe 1 0, k pe 2e 1 0, k j 1 với pe 2e 01, k pe 2e 0, k xác suất lỗi chip phát chip “1” định chip “0” phát chip “0” định chip “1” từ đầu phía phát đến đầu phía thu 4.3.3.2 Xác suất lỗi chip cho chặng chuyển tiếp Xác suất lỗi chip cho chặng xác định trạm chuyển tiếp (R1 ) Các xác suất lỗi chip ảnh hưởng nhiễu đa truy nhập MAI nhiễu xác định theo công thức: I D Pc h1l h1p exp z mt z 0 Q b gt v t 1 (4.15) IT pce 1 0, nu Pc h1l h1p exp z mt z I D 1 pce 01, nu Q (4.16) b t 1 với mt điểm cực g t trọng số bậc thứ t đa thức Hermite 4.3.3.3 Xác suất lỗi chip chặng thứ m (m = 2,3,…, Kr + 1) Xác suất lỗi chip cho chặng thứ m theo công thức [J5]: gt PT v IL C I p ce m 1 0, k Q D b (4.29) P h l exp z mt z I D Q c i (4.30) b t 1 4.3.3.4 Xác suất lỗi chip nguồn-đích Để đánh giá hiệu trường hợp xấu nhất, ta giả thiết xác suất lỗi chip toàn tuyến từ nguồn tới đích xác suất mà chip truyền mà không bị lỗi cặp trạm chuyển tiếp liên tiếp tính theo công thức [J5]: pcem 01, k v gt K r 1 pe 2e 1 0, k 1 pcem 1 0, k (4.31) pe 2e 01, k 1 pcem 01, k (4.32) m1 K r 1 m1 22 IT 4.3.3.5 Kết khảo sát hiệu BER Hình 4.12 BER theo U với Eb = -130 dBJ, Rb = Gb/s, {p s ; p h } = {7; 7}[J5] IL C PT Lợi ích truyền dẫn chuyển tiếp thể hình 4.12, hình vẽ BER theo số người sử dụng tích cực U BER hệ thống FSO/CDMA khơng có chuyển tiếp cao, số lượng người dùng Mặt khác, sử dụng truyền dẫn chuyển tiếp giúp giảm BER đáng kể Các hệ thống FSO/CDMA sử dụng chuyển tiếp với trạm chuyển tiếp hỗ trợ nhiều 10 người dùng với BER = 10-6 L = km Rb = Gb/s 4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Nội dung Chương trình bày đóng góp nghiên cứu sinh việc đề xuất mơ hình giải pháp cải thiện hiệu hệ thống FSO điểm-đa điểm sử dụng kỹ thuật CDMA Hai kỹ thuật cải tiến hiệu đề xuất hệ thống FSO/CDMA điểm-đa điểm kỹ thuật điều chế vị trí xung đa bước sóng MWPPM kỹ thuật chuyển tiếp dựa phương thức tách chip-và-chuyển tiếp KẾT LUẬN Nội dung luận án đạt mục tiêu đề nghiên cứu đề xuất giải pháp cải thiện hiệu hệ thống truyền thông quang không dây FSO Các kết đóng góp khoa học luận án phân thành ba nhóm lớn 23 PT IT (1) Đề xuất xây dựng mơ hình kênh kết hợp có bổ sung tham số phản ánh ảnh hưởng dãn xung tín hiệu quang (2) Đề xuất giải pháp cải thiện hiệu hệ thống FSO điểm – điểm sử dụng kết hợp kỹ thuật chuyển tiếp điện với phân tập thu điều chế PPM (3) Đề xuất giải pháp cải thiện hiệu hệ thống FSO điểm-đa điểm sử dụng kỹ thuật điều chế vị trí xung đa bước sóng kỹ thuật chuyển tiếp dựa phương thức tách chip-và-chuyển tiếp CDF Hướng nghiên cứu luận án tập trung vào giải pháp truyền dẫn chuyển tiếp hai hướng nhằm tăng thông lượng hệ thống FSO Đồng thời đề xuất kiến trúc truyền dẫn lai ghép/hỗn hợp FSO công nghệ khác truyền dẫn sợi quang truyền dẫn vơ tuyến băng sóng mi-li-mét CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ BÀI BÁO KHOA HỌC [J2] [J3] [J4] [J5] Hien T T Pham and N.T Dang, “A Comprehensive M odel for Performance Analysis of APD-based FSO Systems using M -PPM Signaling in Atmospheric Turbulence”, REV Journal on Electronics and Communications, vol no 3-4, pp 147–152, Jul.-Dec 2012 (Tạp chí Điện tử Truyền thông – Hội Vô tuyến Điện tử Việt Nam) Pham T T Hien, N.T Dang, and Vu Tuan Lam, “BER Performance of Bit Detect and-Forward M ulti-hop FSO Systems over Dispersive Turbulence Channel”, VAST Journal of Science and Technology, vol 51, no 1A, pp 40–50, M ar 2013 (Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam) Hien T T Pham, N.T Dang, and Anh T Pham, “Effects of Atmospheric Turbulence and M isalignment Fading on Performance of Serial Relaying M -ary PPM FSO Systems with Partially Coherent Gaussian Coherent Beam”, IET Communications, vol 8, issue 10, pp 1762–1768, July 2014 (Tạp chí quốc tế ISI, SCI-indexed) Pham T T Hien, N.T Dang, and Vu Tuan Lam, “BER Performance of All-Optical AF Dual-Hop FSO Systems over Gamma-Gamma Atmospheric Turbulence Channels”, VAST Journal of Science and Technology, vol 52, no 6C, pp 1–11, Dec 2014 (Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam) Hien T T Pham, Phuc V Trinh, N.T Dang, and Anh T Pham, “Secured Relay Assisted Atmospheric Optical CDM A Systems over Turbulence Channels”, IET IL C [J1] 24 Optoelectronics, Special Issuse on Optical Wireless Communications, vol 9, issue 5, pp 241 – 248, Oct 2015, (Tạp chí quốc tế ISI, SCI-indexed) HỘI NGHỊ KHOA HỌC [C4] [C5] [C6] [C7] [C8] IT [C3] PT [C2] Hien T T Pham, N.T Dang, Lam T Vu, and Hieu T Bui, “A Survey of Performance Improvement M ethods for Free-Space Optical Communication Systems,” In Proc IEEE 2014 International Conferences on Advanced Technologies for Communications (ATC 2014), Hanoi, Vietnam, Oct 2014, pp 772-777 Hien T T Pham et al., “A Comprehensive Performance Analy sis of PPM -based FSO Systems with APD Receiver in Atmospheric Turbulence,” Proc of the IEEE 2012 International Conferences on Advanced Technologies for Communications (ATC 2012), Hanoi, Vietnam, Oct 2012, pp 357-361 N.T Dang, Hien T T Pham, and Anh T Pham, “Average BER Analysis of M ultihop FSO Systems over Strong Turbulence and M isalignment Fading Channels,” In Proc the 2nd IEEE/CIC International Conference on Communications in China (ICCC 2013), Xi'an, China, Sept 2013, pp 153-157 Phuc V Trinh, Anh T Pham, Hien T T Pham, and N.T Dang, “BER Analysis of All-optical AF Dual-Hop FSO Systems over Gamma-Gamma Channels,” In Proc IEEE 4th International Conference on Photonics (ICP 2013), M elaka, M alaysia, Oct 2013, pp 175-177 N.T Dang, Long H Nguyen, and Hien T T Pham, “Performance of M ulti-hop Mary PPM FSO Systems with SIM O Links over Strong Atmospheric Turbulence Channel and Pointing Errors,” In Proc of the IEEE 3th World Congress on Information and Communication Technologies (WICT2013), Hanoi, Vietnam, Dec 2013, pp 121-126 Duy B Chu, Hien T T Pham, NT Dang, and Anh T Pham, “Performance of Relay-Assisted Free-space Optical CDMA Systems Over Log-normal Atmospheric Turbulence Channels,” In Proc IEEE/IET International Symposium on Communication Systems, Networks, and Digital Signal Processing (CSNDSP 2014), M anchester, UK 2014, pp 330-335 N.T Dang, Hien T T Pham, and Anh T Pham, “Reducing Atmospheric Turbulence Effects in FSO/CDM A Systems by using M ulti-wavelength PPM Signalin g,” In Proc IEEE 18th Asia Pacific Conference on Communications (APCC 2012), Jeju, Korea, October 2012, pp 338-343 Hien T T Pham et al., “'Performance Analysis of Spatial PPM-based Free-space Optical Communication Systems with Gaussian Beam,” In Proc IEEE 2014 International Conferences on Advanced Technologies for Communications (ATC 2014), Hanoi, Vietnam, Oct 2014, pp 144-148 IL C [C1] ... sử dụng kỹ thuật cải thiện hiệu đề xuất Đối tượng nghiên cứu luận án hệ thống truyền thông quang không dây hiệu hệ thống Phạm vi nghiên cứu giới hạn với hệ thống truyền thơng quang khơng dây ngồi... trên, hiệu hệ thống FSO bị hạn chế truyền dẫn số liệu tốc độ cao, cự ly xa Mục tiêu mà luận án hướng tới nghiên cứu tìm kiếm giải pháp cải thiện hiệu hệ thống truyền thông quang không dây ảnh... thực luận án xác định bao gồm: (1) nghiên cứu tổng quan FSO, (2) đề xuất giải pháp cải thiện hiệu hệ thống FSO (3) kiểm chứng giải pháp đề xuất Phương pháp nghiên cứu sử dụng luận án nghiên cứu