HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG ---------------------------------------

NGUYỄN VĂN TIẾN

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ TRONG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2012

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: Ts. Đặng Thế Ngọc

Phản biện 1: Ts. Hoàng Ứng Huyền

Phản biện 2: Ts. Nguyễn Ngọc Minh

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công

nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: 8 giờ 00 ngày 20 tháng 01 năm 2013

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

1

MỞ ĐẦU

Truyền thông quang không dây (FSO) là công nghệ truyền dẫn tín hiệu

quang qua môi trường vô tuyến (không gian tự do). Trong những năm gần đây,

truyền thông quang không dây đang được xem như một giải pháp hứa hẹn thay thế

cho các kết nối vô tuyến băng rộng nhờ các ưu điểm mà nó có được bao gồm: tốc

độ cao; chi phí hiệu quả; không yêu cầu cấp phép tần số; triển khai nhanh và linh

hoạt.

Nhằm triển khai kỹ thuật FSO trong mạng truy nhập, việc nghiên cứu giải

pháp đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) trong truyền thông quang không dây

đang thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu. Hệ thống CDMA quang không

dây (FSO/CDMA) là hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã quang sử dụng

phương thức truyền sóng ánh sáng qua không gian tự do để kết nối giữa các thiết bị

phát và thu. Đa truy nhập được thực hiện bằng cách gán các chuỗi mã khác nhau

cho các người dùng khác nhau. Nhờ đó, các hệ thống CDMA quang không dây có

hiệu quả sử dụng tài nguyên cao, khả năng truy nhập không đồng bộ và khả năng an

ninh cao.

Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm, hệ thống CDMA quang không dây

cũng gặp phải những thách thức cần phải vượt qua đó là ảnh hưởng mạnh của tạp

âm, nhiễu và các yếu tố tác động của môi trường truyền lan không gian như mưa,

sương mù, khói, bụi, tuyết… và đặc biệt là sự nhiễu loạn không khí. Do đó, việc

tiến hành nghiên cứu phân tích hiệu năng của hệ thống CDMA quang không dây

nhằm đánh giá khả năng triển khai của giải pháp CDMA trong truyền thông quang

không dây là rất cần thiết.

Mục đích nghiên cứu của luận văn nhằm đưa ra giải pháp đa truy nhập phân chia

theo mã quang trong truyền thông quang không dây. Kết quả cụ thể của nghiên cứu

là đưa ra mô hình hệ thống FSO/CDMA và phân tích hiệu năng của hệ thống FSO

dưới sự ảnh hưởng của các loại nhiễu và nhiễu loạn không khí.

2

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY

FSO

Chương này tập trung giới thiệu khái quát công nghệ truyền thông quang

không dây FSO, các đặc điểm của hệ thống cũng như mô hình của hệ thống FSO.

Các thách thức và ứng dụng của hệ thống FSO cũng được đề cập

1.1 Giới thiệu

FSO (hay truyền thông quang không dây) là công nghệ viễn thông sử dụng

sự truyền lan ánh sáng trong không gian để truyền tín hiệu giữa hai điểm [18]. Đây

là công nghệ truyền thông băng rộng tầm nhìn thẳng, trong đó tín hiệu quang, thay

vì truyền trong sợi quang, được phát đi trong một búp sóng quang qua không gian.

Một mạng truyền thông quang không dây bao gồm các bộ thu-phát quang (gồm một

khối thu và một khối phát) cung cấp khả năng thông tin hai chiều. Mỗi khối phát

quang sử dụng một nguồn quang và một thấu kính để phát tín hiệu quang qua không

gian tới khối thu. Tại phía thu, một 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. Một tuyến

FSO bao gồm hai bộ thu-phát được đặt trong tầm nhìn thẳng. Thông thường, các bộ

thu phát được gắn trên nóc các tòa nhà hoặc sau các cửa sổ (Hình 1.1). Cự ly hoạt

động của một tuyến FSO từ vài trăm mét tới vài km.

Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống FSO thông thường

3

Các đặc điểm cơ bản của hệ thống FSO như sau:

Băng thông điều chế rộng; Búp sóng hẹp; Không yêu cầu cấp phép phổ tần;

Rẻ; Triển khai nhanh chóng; Phụ thuộc vào thời tiết.

Ngoài các điểm trên, các đặc điểm khác của FSO bao gồm:

Lợi ích từ truyền thông sợi quang hiện tại; không bị ảnh hưởng của nhiễu

điện từ; không giống như hệ thống có dây, FSO là một hệ thống không cố định có

thể thu hồi tài sản; phát xạ phải nằm trong giới hạn an toàn quy định; trọng lượng

nhẹ và nhỏ gọn; tiêu thụ điện năng thấp; yêu cầu tầm nhìn thẳng và liên kết chặt chẽ

như là một kết quả của việc búp sóng hẹp.

1.2 Mô hình hệ thống FSO

Sơ đồ khổi của một tuyến FSO điển hình được thể hiện trên hình 1.2. Giống

như bất kỳ công nghệ truyền thông nào, hệ thống FSO gồm ba phần: Bộ phát, kênh

truyền và bộ thu.

Hình 1.2: Sơ đồ khối của hệ thống FSO

1.2.1 Bộ phát

Phần tử này có nhiệm vụ chính là điều chế dữ liệu gốc thành tín hiệu quang

sau đó truyền qua không gian tới bộ thu. Phương thức điều chế được sử dụng rộng

4

rãi tại bộ phát là điều chế cường độ (IM), trong đó cường độ phát xạ của nguồn

quang sẽ được điều chế bởi số liệu cần truyền đi. Việc điều chế được thực hiện

thông qua việc thay đổi trực tiếp cường độ của nguồn quang tại bộ phát hoặc thông

qua bộ điều chế ngoài như bộ giao thoa MZI. Việc sử dụng một bộ điều chế ngoài

nhằm đảm bảo tốc độ dữ liệu đạt được cao hơn so với bộ điều chế trực tiếp. Các

thuộc tính khác của trường bức xạ quang như pha, tần số và trạng thái phân cực

cũng có thể được sử dụng để điều chế với cùng với dữ liệu/thông tin thông qua việc

sử dụng bộ điều chế ngoài.

1.2.2 Bộ thu

Bộ thu hỗ trợ việc khôi phục các dữ liệu đã được phát đi từ phía phát. Bộ thu

bao gồm các thành phần sau:

a) Bộ thu tín hiệu quang – tập hợp và tập trung các phát xạ quang tới bộ tách

sóng quang. Khẩu độ (độ mở) của bộ thu lớn sẽ giúp tập hợp được nhiều phát xạ

quang vào bộ tách sóng quang.

b) Bộ lọc thông dải quang – bộ lọc thông dải làm giảm lượng bức xạ nền.

c) Bộ tách sóng quang – PIN hoặc APD chuyển đổi trường quang đến thành tín

hiệu điện. Các bộ tách sóng quang thường được dùng trong các hệ thống truyền

thông quang hiện nay được tóm tắt trong bảng 1.2.

d) Mạch xử lý tín hiệu – có chức năng khuếch đại, lọc và xử lý tín hiệu để đảm

bảo tính chính xác cao của dữ liệu được khôi phục.

1.2.3 Kênh vô tuyến

Kênh truyền dẫn quang khác so với kênh nhiễu Gauss thông thường, tín hiệu

đầu vào của kênh, x(t), thể hiện công suất chứ không phải là biên độ. Điều này dẫn

tới hai điều kiện ràng buộc trên tín hiệu được truyền: i) x(t) phải không âm và ii) giá

trị trung bình của x(t) không được vượt quá một giá trị quy định

5

max1lim ,

2

T

TT

x t dtT

(1.1)

1.2.3.1 Tổn thất công suất

Khi một bức xạ quang đi qua bầu khí quyển, một vài photon bị biến mất (hấp

thụ) do các thành phần như hơi nước, khí CO2, sương mù, tầng Ozone… và năng

lượng chuyển thành nhiệt năng trong khi đó các thành phần khác đi qua không mất

mát năng lượng nhưng hướng truyền lan ban đầu của chúng bị thay đổi (tán xạ). sự

lan truyền của một trường quang thông qua bầu khí quyển được mô tả bởi định luật

luật Beer – Lambert. Chùm sáng còn bị trải rộng trong khi truyền do đó kích thước

chùm sáng nhận được là lớn hơn so với kích thước bộ thu.

1.2.3.2 Tổn thất kênh truyền không khí

a) Hấp thụ

b) Tán xạ

c) Ảnh hưởng của sự nhiễu loạn không - Sự nhiễu loạn không khí phụ thuộc

vào i) độ cao/áp suất khí quyển; ii) vận tốc gió; iii) sự khác nhau của các chỉ

số khúc xạ do sự không đồng nhất về nhiệt độ. Các ảnh hưởng của sự nhiễu

loạn không khí bao gồm:

Sự lệch chùm sáng; sự nhẩy ảnh; sự mở rộng của chùm sáng; sự nhấp nháy

của chùm sáng; sự suy giảm tính nhất quán trong không; sự biến động phân.

d) Mô hình sự nhiễu loạn không khí

1.3 Các thách thức đối với hệ thống FSO

Sương mù; Sự nhấp nháy; Sự trôi búp; Giữ thẳng hướng phát-thu khi tòa nhà

dao động; Sự an toàn cho mắt

6

1.4 Các ứng dụng của hệ thống FSO

Truy nhập chặng cuối; Dự phòng tuyến sợi quang; Kết nối back-haul cho mạng tế

bào; Các tuyến tạm thời/ khắc phục sự cố;Mạng truyền thông nhiều vùng nhỏ; Các

vùng địa lý khó khăn.

7

Chương 2

KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ

QUANG

Chương này trình bày tổng quan về phương thức đa truy nhập phân chia

theo mã quang - OCDMA. Khái niệm về hệ thống OCDMA và phân loại các hệ

thống OCDMA khác nhau cũng đã được đề cập trong nội dung của chương. Nội

dung cuối cùng của chương trình bày về cấu trúc và tính chất của một số các loại

mã thường được sử dụng trong các hệ thống OCDMA các loại nhiễu trong hệ thống

OCDMA.

2.1 Giới thiệu

OCDMA là kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo mã quang, theo đó, mỗi

người sử dụng sẽ được cấp một mã quang để truy nhập vào mạng thay vì khe thời

gian như trong kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) hay bước

sóng như trong kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo bước sóng (WDMA). OCDMA

giúp nâng cao tốc độ truyền dẫn, tăng tính linh hoạt về số lượng người sử dụng và

tăng tính bảo mật của hệ thống [20]. OCDMA là công nghệ tiềm năng cho phép

thay thế các công nghệ hiện tại trong mạng truy nhập quang.

Trong chương này, đầu tiên chúng ta sẽ xem xét các công nghệ truy nhập

đang được sử dụng trong mạng quang, đặc biệt là mạng truy nhập quang thụ động

(PON). Tiếp theo, chúng ta tìm hiểu về một kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo mã

(OCDMA), cách phân loại hệ thống OCDMA cũng như các loại mã hay được sử

dụng trong hệ thống CDMA quang. Cuối cùng, sơ đồ và nguyên lý một hệ thống

OCDMA tiêu biểu, 2-D λ-t OCDMA sẽ được giới thiệu.

2.2 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã quang

Trong OCDMA, tài nguyên mạng được chia sẻ giữa người sử dụng bằng

cách gán cho mỗi người một mã thay vì khe thời gian như TDMA hoặc bước sóng

như WDMA. Do đó, người dùng có khả năng tiếp cận các tài nguyên cùng một

8

Bước sóng, λ

Thời gian, t

Người sử dụng 1

Người sử dụng 3

Người sử dụng 2

Mã, C

bước sóng, cùng một lúc, như thể hiện trong hình 2.1. OCDMA có thể thực hiện

ghép kênh chuyển mạch và xen/rẽ các tín hiệu đa kênh qua mạng đường trục và

mạng đô thị (MAN), hoặc kết hợp của TDM và WDM thông qua mã hóa và giải mã

tín hiệu quang trực tiếp.

Hình 2.1: Chia sẻ tài nguyên dựa trên kỹ thuật OCDM

2.3 Các hệ thống CDMA quang

Nếu chúng ta phân loại dựa vào sự khác biệt của các phương pháp mã hóa tín

hiệu quang, ta có thể chia thành ba loại hệ thống OCDMA:

- Hệ thống OCDMA mã hóa trong miền thời gian, trong đó bao gồm hệ

thống trải phổ truyền thống và hệ thống mã hóa pha theo thời gian.

- Hệ thống OCDMA mã hóa trong miền tần số, bao gồm bước mã hóa pha

phổ (SPE) và hệ thống mã hóa biên độ phổ (SEA).

- Hệ thống OCDMA mã hóa lai ghép sử dụng kết hợp các phương thức mã

hóa nêu trên. Ví dụ chúng ta có thể có được mã hóa 2-D bằng cách kết

hợp mã hóa trong miền thời gian và miền bước sóng, hệ thống OCDMA

trải thời gian/nhảy bước sóng (WH/TS). Nếu mã hóa theo không gian

được kết hợp với thời gian và bước sóng ta sẽ có được mã hóa không

gian/ thời gian/bước sóng.

Nếu chúng ta sắp xếp chúng theo số lượng tài nguyên (thời gian, không gian,

bước sóng) được sử dụng, ta có thể được chia thành các hệ thống OCDMA một

9

chiều (1D OCDMA), các hệ thống OCDMA hai chiều (2D OCDMA) và hệ thống

OCDMA ba chiều (3D OCDMA). Nếu sự phân cực này cũng đưa vào mã hóa, ta có

thể đạt được các hệ thống bốn chiều (4D OCDMA).

Nếu chúng ta phân loại các hệ thống OCDMA theo số lượng các bước sóng

được sử dụng để mã hóa, chúng có thể được chia thành các hệ thống OCDMA đơn

bước sóng và các hệ thống OCDMA đa bước sóng.

2.3.1 Kiến trúc hệ thống OCDMA

Kiến trúc điển hình của một hệ thống OCDMA được minh họa trong Hình

2.2. Tín hiệu từ K bộ phát được kết hợp bằng một bộ kết hợp và phát đến tất cả các

bộ thu bằng một bộ chia quang. Một sợi quang được sử dụng để kết nối từ phía phát

đến phía thu và được chia sẻ giữa tất cả các người dùng.

Hình 2.2: Sơ đồ khối của hệ thống OCDMA

2.4 Mã sử dụng trong hệ thống CDMA quang

Chuỗi M; Mã Hadamard; Mã MQC; Mã nguyên tố; Mã nguyên tố 2-D

.

.

.

.

.

.

Dữ liệu nhị

Bộ mã hóa

Máy phát #1

Máy phát # K

Dữ liệu nhị

Bộ mã hóa

Bộ phục hồi dữ

Bộ giải mã

Máy thu #1

Máy thu # K

Bộ phục hồi dữ

Bộ giải mã

Sợi quang

Bộ kết hợp

Bộ chia

10

2.5 Nhiễu trong hệ thống CDMA quang

2.5.1 Nhiễu bộ thu

Hai loại nhiễu chính ở bộ thu là nhiễu lượng tử và nhiễu nhiệt. Hai loại nhiễu

này là nguyên nhân chính gây ra sự thăng giáng dòng tách quang tại bộ thu, ngay cả

khi công suất tín hiệu thu (Pin) không đổi.

Bản chất của nhiễu lượng tử là do dòng điện tách quang được tạo ra từ dòng

chuyển động của các điện tử mà các điện tử này lại được tạo ra một cách ngẫu nhiên

theo thời gian. Về mặt toán học, sự thăng giáng của dòng điện do nhiễu lượng tử

gây ra là một tiến tronh Poison dừng, và có thể xấp xỉ bởi thống kê Gauss. Phương

sai của nhiễu nhiệt có thể biểu diễn dưới dạng [21]

einsh BPe 22 (2.11)

trong đó e là điện tích điện tử. là đáp ứng của bộ tách sóng quang. Be là băng

thông điện (nhiễu) hiệu dụng của bộ thu. Giá trị thực tế của Be phụ thuộc vào thiết

kế bộ thu.

2.5.2 Nhiễu đa truy nhập

Nhiễu đa truy nhập (MAI) là một trong những nguồn nhiễu chính trong các

hệ thống OCDMA, là nguyên nhân chính gây suy giảm chất lượng của hệ thống.

Như đã đề cập trong chương 1, MAI gây ra bởi các người sử dụng hoạt động đồng

thời trong mạng, các xung MAI là các xung quang xuất hiện đồng thời và có cùng

bước sóng với xung mong muốn. Mức độ ảnh hưởng của MAI được quyết định bởi

hai tham số chính: (1) số lượng người dùng cùng hoạt động trên mạng và (2) giá trị

tương quan chéo giữ các chuỗi mã phân bổ cho các người dùng trên mạng.

Để giảm bớt ảnh hưởng của MAI, các loại mã có giá trị tương quan chéo nhỏ

thường được sử dụng. Điều này đồng nghĩa với việc cần các chuỗi mã có độ dài lớn,

ví dụ mã nguyên tố. Giải pháp thứ hai là sử dụng phương thức điều chế vị trí xung

PPM [5]. Tuy nhiên, cả hai giải pháp nêu trên đều dẫn tới làm hẹp độ rộng xung

quang và hệ thống sẽ bị ảnh hưởng mạnh hơn bởi tán sắc.

11

Chương 3

HỆ THỐNG CDMA QUANG KHÔNG DÂY

Chương 3 phân tích một cách toàn diện về các ảnh hưởng của nhiễu loạn

không khí bao gồm sự thăng giáng cường độ và ảnh hưởng của dãn xung lên hiệu

năng hệ thống FSO/CDMA sử dụng PPM và MWPPM. Kết quả thể hiện rẳng M-

PPM với M >16 không nên được sử dụng vì yêu cầu gửi xung hẹp, do đó bị ảnh

hưởng mạnh bởi dãn xung. Bằng việc sử dụng MWPPM, ảnh hưởng của cả thăng

giáng cường độ và dãn xung có thể được giảm nhẹ, do đó BER hệ thống giảm.

Ngoài ra, chúng ta nhận thấy rằng hiệu năng hệ thống được cải thiện đáng kể và

đạt được BER thấp bằng việc sử dụng APD với độ lợi trong khoảng từ 80 tới 100.

3.1 Giới thiệu

Ảnh hưởng chính lên hiệu năng hệ thống FSO là sự nhiễu loạn của không khí,

hiện tượng này xuất hiện như là một kết quả của các thay đổi trong chỉ số khúc xạ

do sự không đồng nhất về nhiệt độ và áp suất [9]. Những chỉ số không đồng nhất có

thể gây ra sự suy giảm chất lượng tín hiệu và có thể gây ra sự thay đổi cả về cường

độ và pha của tín hiệu thu. Những biến động này có thể dẫn tới sự gia tăng xác suất

lỗi bit và hạn chế hiệu năng của hệ thống FSO [10]. Hơn nữa, sự lan truyền của các

xung có thể bị ảnh hưởng bởi sự dãn rộng của xung do sự nhiễu loạn. Hai nguyên

nhân gây ra sự dãn rộng xung này là do tán xạ và tán sắc [11].

Để giảm thiểu ảnh hưởng của sự nhiễu loạn không khí, các nghiên cứu về hệ

thống FSO/CDMA trước đây thường sử dụng phương thức điều chế vị trí xung (M-

PPM) do đây là một phương pháp đạt hiệu suất cao về mặt năng lượng [3] – [7]. M-

PPM cũng giúp tránh được yêu cầu điều chỉnh ngưỡng thích nghi trong OOK.

Những nghiên cứu trước đây cho thấy rằng khi bỏ qua ảnh hưởng của dãn xung, M-

PPM rất hiệu quả trong việc làm giảm sự ảnh hưởng của thăng giáng cường độ tín

hiệu. Tuy nhiên, để có đựoc sự phân tích hiệu năng hệ thống FSO/CDMA một cách

toàn diện chúng ta nên đánh ra ảnh hưởng của sự dãn xung. Hơn nữa, ảnh hưởng

của dãn xung là đáng kể và không thể bỏ qua khi các hệ thống FSO truyền thông tin

12

tốc độ cao và đặc biệt các hệ thống FSO/CDMA sử dụng M-PPM yêu cầu gửi thông

tin ở tốc độ chip cao (xung ngắn) qua kênh nhiễu loạn không khí.

Trong luận văn này, tôi đề xuất sử dụng một mô hình lan truyền xung Gauss

để phân tích toàn diện những tác động của sự nhiễu loạn không khí lên hiệu năng

của hệ thống FSO/CDMA sử dụng PPM. Mô hình này sẽ có thể phân tích tất cả các

ảnh hưởng của sự nhiễu loạn không khí, bao gồm sự thay đổi của cường độ tín hiệu,

sự dãn xung và suy hao truyền dẫn. Ngoài ra, các loại nhiễu bao gồm nhiễu nổ,

nhiễu nền, nhiễu nhiệt và nhiễu đa truy nhập (MAI) cũng sẽ được tính đến trong

phân tích hiệu năng.

Hình 3.1: Các phương pháp điều chế: 4-WSK, 4-PPM và 2-2-MWPPM

3.2 Mô hình kênh FSO

3.2.1 Mô hình kênh nhiễu loạn không khí

Môi trường khí quyển không phải là một kênh truyền thông lý tưởng. Sự

không đồng nhất về nhiệt độ và áp suất của khí quyển dẫn tới sự thay đổi chỉ số

khúc xạ theo tuyến truyền dẫn, mà thường được gọi là sự nhiễu loạn không khí. Nó

tạo ra một loạt các hiện tượng như suy hao lựa chọn tần số, hấp thụ, tán xạ và sự

không ổn định (nhấp nháy). Khi chùm tín hiệu quang lan truyền qua môi trường

không khí, cường độ tín hiệu quan sát được tại phía thu thay đổi một cách ngẫu

nhiên. Điều này được gọi là nhấp nháy, và nó cũng là nhược điểm chính của các hệ

thống truyền thông FSO.

13

Rất khó để xác định hàm mật độ xác suất cho sự thay đổi cường độ tín hiệu

theo các điều kiện khí quyển tùy ý và các tham số của chùm tín hiệu. Tuy nhiên,

dựa trên số liệu thống kê hiện tượng nhấp nháy, các mô hình toán học khác nhau

được đề xuất như hàm Log-normal [13], phân bố Gama [14] hay Gama-Gama [15].

Trong chương này chúng ta xem xét kịch bản về sự nhiễu loạn yếu dựa trên mô hình

phân bố Log – normal.

Một biến ngẫu nhiên B có một phân bố Log-normal nếu biến ngẫu nhiên A =

lnB có một phân bố chuẩn (ví dụ Gauss). Do đó, nếu biên độ của độ lợi tuyến ngẫu

nhiên B là I, cường độ quang I = B2 cũng được phân bố bởi hàm Log-normal trong

trường hợp này. Do đó, hệ số kênh fading đặc trưng cho mô hình kênh từ phía phát

tới phía thu, được cho bởi công thức 3.1.

exp 2m

Ih XI

(3.1)

Trong đó Im là cường độ tín hiệu ánh sáng thực tế tại bộ phát khi không có sự

nhiễu loạn; I là cường độ tín hiệu ánh sáng thực tế tại phía thu khi có sự nhiễu loạn.

LogX (X: biên độ) là biến ngẫu nhiên phân bố chuẩn với giá trị trung bình x và

phương sai x có thể được biểu diễn như sau:

2

2

1 exp22

xx

xx

Xf X

(3.2)

Để đảm bảo rằng fading không làm suy giảm hay khuếch đại công suất trung

bình của tín hiệu, thông thường chúng ta coi hệ số fading là E(h) = 1, điều đó đòi

hỏi phải lựa chọn x = - x2. Thay thế công thức (3.1) vào công thức (3.2), phân bố

của fading cường độ ánh sáng bởi sự nhiễu loạn theo hàm Log-normal, có thể được

mô tả như:

22

2

ln 21 exp88

xI

xx

hf h

h

(3.3)

Trong đó, x2 trong điều kiện nhiễu loạn yếu được cho bởi [16]

14

76 112 2620.124x nz C

(3.4)

Trong đó λ là bước sóng và z là khoảng cách tuyến. 2nC là viết tắt của hệ số

cấu trúc chỉ số khúc xạ.

3.2.2 Mô hình truyền lan xung

Để có được các biểu thức biểu diễn sự dãn rộng xung ánh sáng trong miền

thời gian khi xung truyền lan qua môi trường nhiễu loạn không khí, chúng ta giả

thiết rằng các dạng sóng đầu vào là xung Gauss. Biên độ của xung Gaussian được

cho bởi:

2

20

expi ptA t PT

(3.5)

Trong đó Pp và T0 tương ứng là công suất đỉnh và nửa độ rộng (tại điểm 1/e)

của xung đầu vào.

Xem xét các tổn thất gây ra bởi sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng cũng như sự

phân kì chùm sáng, biên độ xung quang tại vị trí đầu thu nằm ở khoảng cách z (km)

từ bộ phát có thể được mô tả như sau [11]:

2

02 2 2exp expr p

b b

TA tA t P zz T T

(3.6)

Trong đó A là độ mở của bộ thu. θ và β tương ứng là góc phân kỳ của chùm

tia và hệ số suy hao. 20 8bT T là một nửa độ rộng xung thu được. Tham số α

được cho bởi:

52 30

2

0.3908 nC zLc

(3.7)

Trong đó là tham số đặc trưng cho mức độ giãn xung khi xung quang

truyền qua môi trường khí quyển. L0 là quy mô bên ngoài của sự nhiễu loạn và c là

vận tốc ánh sáng, z (m) là khoảng cách tuyến.

15

3.3 Điều chế vị trí xung đa bước sóng Như đã đề cập trong phần 3.1, L-M-PPM là sự kết hợp của L-WSK và M-

PPM, trong đó L là số bước sóng và M là số mức điều chế của PPM. Trong kỹ thuật

điều chế này, mỗi khối b = log2N bit số liệu được ánh xạ vào một trong số N ký hiệu

(s0, s1, …, sN-1). Trong mỗi khối b bit, log2L bit đầu tiên được sử dụng cho WSK,

các bit còn lại (log2M bit) được sử dụng cho PPM như minh họa trong hình 3.2.

Khoảng thời gian của một ký hiệu (Tw) được chia thành M khe thời gian. Tùy

thuộc vào ký hiệu phát, xung quang được phát đi tại một trong số M khe thời gian

trong khi các khe thời gian còn lại được bỏ trống. Đồng thời, xung quang này sẽ

chiếm một trong số L bước sóng. Kết quả là, nhờ sử dụng L bước sóng cho M-PPM,

kích thước của không gian tín hiệu sẽ tăng L lần so với M-PPM.

3.4 Hệ thống FSO/CDMA sử dụng L-M - MWPPM

Hình 3.3: Hệ thống FSO/CDMA sử dụng L-M-MWPPM

Hệ thống FSO/CDMA sử dụng L-M-MWPPM được minh họa trong hình 3.3

bao gồm bộ phát, kênh truyền và bộ thu.

Ở phía bộ phát, dữ liệu đầu vào trước tiên được điều chế bởi một bộ điều

chế MWPPM. Mỗi khối bit dữ liệu b = log2N được ánh xạ tới một trong số N ký

hiệu (s0, s1,…, sN-1), trong đó N = LxM = 2b. Tiếp theo xung quang thể hiện cho một

ký hiệu MWPPM được mã hóa bởi một bộ mã hóa OCDMA, tại đó nó được mã hóa

16

thành một chuỗi chip “0” và “1”. Chip “1” được biểu diễn bởi một xung quang

trong khi đó chip “0” tương đương với việc không có xung quang nào được phát đi.

Số lượng các chip có trong một chuỗi mã bằng độ dài của từ mã được tạo ra bởi bộ

tạo mã.

Giả sử rằng xung quang đại diện cho một chip “1” là xung Gauss có biên độ

được thể hiện như công thức 3.5, công suất đỉnh của xung là Pp có thể được tính

như sau:

0

2 sp c

TP PT

(3.8)

Trong đó, Pc là công suất phát trung bình trên chip. Chi tiết về công thức 3.8

được thể hiện trong phụ lục 1.

Với tốc độ bit số liệu là Rb, độ rộng ký hiệu được tính như sau: Tw = log2

N/Rb, và độ rộng của mỗi khe thời gian là Ts = Tw/M. Với F chip được phát trong

mỗi khe thời gian, độ rộng chip được thể hiện bởi Tc = Tw/F. Với T0 = Tc/(4ln2) [11],

độ rộng nửa xung (T0) có thể được biểu diễn như sau:

2

0

log

4ln 2b

NRT

MF (3.9)

Hệ thống FSO/CDMA chịu ảnh hưởng bởi nhiễu đa truy nhập (MAI), nó là một trong những nguồn nhiễu chính gây suy giảm chất lượng của hệ thống. MAI gây ra bởi các người sử dụng hoạt động đồng thời trong mạng, các xung MAI là các xung quang xuất hiện đồng thời và có cùng bước sóng với xung mong muốn. Mức độ ảnh hưởng của MAI được quyết định bởi hai tham số chính: (1) số lượng người dùng cùng hoạt động trên mạng và (2) giá trị tương quan chéo giữ các chuỗi mã phân bổ cho các người dùng trên mạng. Hệ thống FSO/CDMA ở trên gồm có K người dùng, tham số hi ở trên đặc trưng cho hệ số truyền đạt của kênh vô tuyến (kênh fading) do đó công suất tín hiệu phát ra được nhân với hàm truyền đạt của kênh. Hàm truyền đạt này là biến ngẫu nhiên gây ra sự thăng giáng cường độ tín nhiệu

17

Để giảm bớt ảnh hưởng của MAI, các loại mã có giá trị tương quan chéo nhỏ

thường được sử dụng. Điều này đồng nghĩa với việc cần các chuỗi mã có độ dài lớn,

ví dụ mã nguyên tố. Giải pháp thứ hai là sử dụng phương thức điều chế vị trí xung

PPM. Tuy nhiên, cả hai giải pháp nêu trên đều dẫn tới làm hẹp độ rộng xung quang

và hệ thống sẽ bị ảnh hưởng mạnh hơn bởi tán sắc. Do đó hệ thống trong hệ thống

FSO/CDMA được đề xuất sử dụng phương pháp điều chế vị trí xung đa bước sóng

L-M-MPPM, bằng việc sử dụng phương pháp này sự ảnh hưởng của việc thăng

giáng cường độ và giãn xung được giảm nhẹ.

Tại bộ thu, tín hiệu phát từ K người sử dụng khác nhau được kết hợp lại bởi

một bộ cộng sau đó được đưa tới một bộ giải mã OCDMA. Bộ giải mã này được

điều khiển bởi bộ tạo mã. Các tín hiệu thu được không chỉ bao gồm tín hiệu từ bộ

phát mong muốn mà còn có cả các tín hiệu từ các bộ phát gây nhiễu, nhiễu này là

nhiễu đa truy nhập (MAI). Tiếp theo, APD chuyển tín hiệu quang thu được sang

dạng tín hiệu điện. Dòng tách quang tỷ lệ thuận với cường độ tín hiệu thu được tại

bộ thu bởi đáp ứng R (A/W). Cuối cùng, tại bộ giải điều chế MWPPM, tập hợp các

dòng quang điện trên N đầu vào bộ giải điều chế, tương ứng với N ký hiệu, được so

sánh với nhau. Đầu vào với dòng điện cao nhất được lựa chọn để quyết định ký hiệu

phát và từ đó dữ liệu nhị phân sẽ được khôi phục.

3.5 Phân tích hiệu năng hệ thống FSO/CDMA Trong phần này, chúng ta trình bày các phương pháp để tính toán tỷ lệ lỗi bit

(BER) của hệ thống FSO/CDMA sử dụng L-M-MWPPM và APD. Cần chú ý rằng

M-PPM là một trường hợp đặc biệt của L-M-MWPPM với L = 1. Với Pe là giá trị

xác suất lỗi ký hiệu, tỷ lệ lỗi bit của hệ thống có thể được tính như sau:

2 1 e

MBER PM

(3.10)

Chúng ta giả thiết rằng dữ liệu được truyền là đủ lớn để các ký hiệu có xác

suất truyền như nhau. Không mất tính tổng quát, chúng ta cũng giả sử rằng ký hiệu

s0 được truyền đi. Xác suất lỗi ký hiệu tức thời trong trường hợp hệ thống có K

người sử dụng có thể được mô tả như [7].

18

1

1 1

0 0 1 1 0 1 0 1 11 1

1 ,M M

e r u r ru l

P P I I s s M P k l P I I s s k l

(3.11)

Trong đó, s là ký hiệu được phát, k1 là tổng số xung gây nhiễu tới ký hiệu s1.

I0 và I1 là dòng tách quang đại diện tương ứng cho s0 và s1.

Các xung gây nhiễu là các xung từ các người sử dụng gây nhiễu có vị trí

trùng với một chip “1” của từ mã thu được. Do đó k1 có thể được mô hình hóa như

là một biến nhị phân ngẫu nhiên với xác suất λc/F, trong đó λc là tương quan chéo

giữa hai từ mã của người sử dụng. Do đó, thành phần thứ nhất trong công thức 3.11

có thể được tính như sau:

1 11

11

1

1 1l N l

c cr

KP k ll F F

(3.12)

Thành phần thứ hai của công thức 3.11 được tính toán như sau:

(3.13)

Trong đó Q(.) là hàm Q. µI0, σ2I0, µI1 và σ2

I1 là giá trị trung bình và phương sai

tương ứng của I0 và I1.

Trong đó e là điện tích điện tử; kB là hằng số Boltzmann; T là nhiệt độ tuyệt

đối; RL điện trở tải. R và g tương ứng là độ nhạy và độ lợi trung bình của APD. Hd

và hk biểu thị hệ số kênh fading của người sử dụng mong muốn và người sử dụng

gây nhiễu thứ k. w là trọng lượng mã. Pb thể hiện công suất nền quang và ∆f = Be/2

là độ rộng băng thông nhiễu hiệu dụng với Be = MRb/log2N. Fa hệ số nhiễu dư của

APD được cho bởi:

12 1 ,aF gg

(3.14)

19

Trong đó ζ biểu thị hệ số ion hóa. Cuối cùng, Pc(b), công suất trung bình trên

chip xem xét ảnh hưởng dãn xung và tổn thất công suất, có thể được tính toán như

sau:

/2

2

/2

1 .c

c

Tb

c rc T

P A t dtT

(3.15)

3.6 Kết quả khảo sát BER, nhận xét và đánh giá Trong phần này, chúng ta khảo sát tỉ lệ lỗi bit (BER) của hệ thống

FSO/CDMA sử dụng MWPPM và bộ thu APD. Để có được sự so sánh công bằng

với các hệ thống khác, phân tích được xem xét trên cơ sở công suất phát trung bình

trên bit ký hiệu là Ps. Mối quan hệ giữa Pc và Ps được đưa ra bởi Pc = M(log2N)Ps/w.

Chúng ta sử dụng mã nguyên tố (prime code) cho hệ thống FSO/CDMA vì

đây là loại mã đơn giản và được sử dụng rộng rãi trong hệ thống CDMA quang.

Mỗi từ mã trong một tổ hợp mã, được cấu trúc từ mộ số nguyên tố (ps), có độ dài từ

mã F = ps2, trọng lượng từ mã của w = ps, và tương quan chéo giữa hai mã bất kỳ λc

= 2 [17].

Hình 3.4 thể hiện BER của các hệ thống FSO/CDMA sử dụng M-PPM và L-

M-MWPPM theo công suất phát trên mỗi bit khi z = 2 km, K = 32 người sử dụng và

Rb = 1 Gbps. Các kết quả nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng, BER giảm khi mức điều

chế của M-PPM tăng, tuy nhiên điều này không phải hoàn toàn đúng đối với hệ

thống FSO/CDMA sử dụng M-PPM. Thực tế, như thể hiện trên hình 3.2, BER chỉ

giảm khi M tăng từ 2 lên 8. Việc sử dụng 16-PPM và 32-PPM không giúp cải thiện

hiệu năng của hệ thống. BER của hệ thống FSO/CDMA sử dụng 32-PPM thậm chí

còn xấu hơn sử dụng 8-PPM. Điều này là do hệ thống sử dụng 32-PPM có tốc độ

chip cao hơn và do đó ảnh hưởng của dãn xung mạnh hơn so với ảnh hưởng của

thăng giáng cường độ tín hiệu.

Hạn chế của M-PPM có thể được khắc phục bằng cách sử dụng L-M-

MWPPM vì nó có khả năng làm giảm đồng thời ảnh hưởng của thăng giáng cường

độ tín hiệu và các ảnh hưởng của dãn xung..

20

Hình 3.4: BER theo công suất phát trên bit với z = 2 km,

60g , K = 32 và Rb = 1 Gbps

Hình 3.5 thể hiện mối quan hệ giữa BER và khoảng cách tuyến khi Ps = 0

dBm, 60g và K = 32 người sử dụng. Mức điều chế được cố định bằng 16 và thay

đổi số lượng bước sóng trong MWPPM. Kết quả cho thấy, khoảng cách tuyến tăng

lên khi số lượng bước sóng tăng, hay số lượng vị trí xung giảm. Điều này được thể

hiện trong công thức 3.17, khi giảm số lượng vị trí xung (M) giúp làm tăng độ rộng

xung vì vậy ảnh hưởng của dãn xung tín hiệu.

Hình 3.5: BER theo khoảng cách tuyến z với Ps = 0 dBm,

60g , K = 32, và Rb = 1 Gbps

21

Tiếp theo, trong hình 3.6, BER được khảo sát theo tốc độ bit trên người dùng

với z = 2 km, K = 32 người dùng và Ps = 0 dBm. Chúng ta có thể quan sát sự ảnh

hưởng của nhiễu loạn không khí ( 2nC ) đến tốc độ bit của người dùng. Khi 2

nC tăng,

tốc độ bit sẽ giảm.

Ngoài ra, kết quả cũng cho thấy, hệ thống FSO/CDMA sử dụng L-M-

MWPPM có thể hỗ trợ tốc độ bít người dùng cao hơn so với việc sử dụng M-PPM.

Cụ thể, khi 2nC = 10-14, tốc độ bit người dùng của hệ thống FSO/CDMA sử dụng 16-

PPM có thể được hỗ trợ (tại mức BER = 10-6) là khoảng 1.35 Gbps. Bằng việc sử

dụng 4-4-MWPPM, tốc độ bit người dùng tăng gấp đôi lên tới 2.7 Gbps. Khi 2 142 10 ,nC Rb (tại mức BER = 10-6) của hệ thống sử dụng 16-PPM rớt xuống

dưới 1 Gbps, trong khi đó, Rb vẫn cao hơn 1 Gbps đối với hệ thống sử dụng 4-4-

MWPPM.

Hình 3.6: BER theo tốc độ bit trên người dùng với Ps = 0 dBm,

60g , z = 2 km, và K = 32

Cuối cùng, trong hình 3.7 thể hiện BER người dùng so với độ lợi APD trung

bình với Ps = 0 dBm. Có thể thấy rằng BER của hệ thống FSO/CDMA sử dụng

APD giảm đáng kể so với một hệ thống không sử dụng APD ( 1g ). Hệ thống đạt

được BER nhỏ khi độ lợi APD nằm trong khoảng 80 tới 100. Khi độ lợi APD lớn

22

hơn 100, nhiễu nổ của APD trở nên ảnh hưởng mạnh, do đó hiệu năng hệ thống bị

giảm, BER tăng.

Hình 3.7: BER theo độ lợi trung bình APD ( g ) với Ps = 0 dBm,

z = 2km, K = 32, và Rb = 1 Gbps

23

KẾT LUẬN

Hệ thống CDMA quang không dây (FSO/CDMA) là hệ thống đa truy nhập

phân chia theo mã quang sử dụng phương thức truyền sóng ánh sáng qua không

gian tự do (FSO) để kết nối giữa các thiết bị phát và thu. Trong những năm gần đây,

các hệ thống FSO/CDMA đã và đang thu hút được nhiều quan tâm nghiên cứu do

các ưu điểm mà cả công nghệ FSO và CDMA quang đem lại.

Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm, hệ thống FSO/CDMA cũng gặp phải

những thách thức cần phải vượt qua đó là ảnh hưởng mạnh của tạp âm, nhiễu và các

yếu tố tác động của môi trường truyền lan không gian như mưa, sương mù, khói,

bụi, tuyết… và đặc biệt là sự nhiễu loạn không khí. Những yếu tố nêu trên làm suy

giảm mạnh mẽ hiệu năng của các hệ thống FSO/CDMA.

Trong phạm vi của luận văn, luận văn tập trung trình bày các đặc điểm chính

sau:

Trình bày tổng quan công nghệ truyền thông quang không dây.

Trình bày tổng quan các kỹ đa truy nhập phân chia theo mã quang.

Nghiên cứu các ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn và nhiễu tại phía thu lên hiệu năng hệ thống CDMA quang không dây (FSO/CDMA).

Đóng góp chính của luận văn là đưa ra mô hình hệ thống FSO/CDMA và phương thức phân tích hiệu năng của hệ thống FSO/CDMA theo các tham số dưới ảnh hưởng của các loại nhiễu, tạp âm và sự nhiễu loạn không khí.

24

KIẾN NGHỊ CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

Trên cơ sở kết quả khảo sát và đánh giá hiệu năng, luận văn đề xuất phương

thức cải thiện hiệu năng của hệ thống FSO/CDMA như sau:

1. Đề xuất sử dụng các phương thức mã hóa CDMA, loại mã phù hợp

nhằm cải thiện hiệu năng hệ thống FSO/CDMA.

2. Đề xuất sử dụng các phương thức xử lý tín hiệu, kỹ thuật điều chế, tách

tính hiệu, phân tập, mã hóa … nhằm hạn chế các ảnh hưởng của các

loại nhiễu và nhiễu loạn không khí từ đó giúp cải thiện hiệu năng hệ

thống.