Xem mẫu
- Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)
Đánh giá lỗi định hướng trong kênh truyền quang vô
tuyến dưới những điều kiện thời tiết khác nhau
Phạm Duy Khiêm∗ , Lê Quốc Cường† , và Võ Nguyễn Quốc Bảo∗
∗
Phòng Thí Nghiệm Thông Tin Vô Tuyến
Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông, Cơ Sở TP. Hồ Chí Minh
Email: khiemwood86@yahoo.com, baovnq@ptithcm.edu.vn
† Sở Thông Tin và Truyền Thông TP. Hồ Chí Minh
Email: lequoccuong@tphcm.gov.vn
Tóm tắt—Lỗi định hướng (Pointing Error) là một trong hướng được tạo ra từ rung lắc của tòa nhà, gió mạnh vì
những thách thức chính mà kênh truyền quang vô tuyến vậy lỗi định hướng làm ảnh hưởng đến hiệu năng tuyến
phải đối diện. Lỗi định hướng là một tham số biễu diễn quang vô tuyến. Cho đến nay, đã có một số bài báo xem
góc độ tầm nhìn thẳng giữa hai đầu phát và đầu thu laser
xét đến bài toán lỗi định hướng ảnh hưởng hiệu năng của
trong kênh truyền quang vô tuyến. Tham số này phụ thuộc
vào điều kiện thời tiết và gây suy giảm đến hiệu năng của tuyến quang vô tuyến, ví dụ [4], [5], [6], [7]. Bài báo [4]
một tuyến quang vô tuyến ở khoảng cách xa. Trong bài xem xét bài toán lỗi định hướng ảnh hưởng hiệu năng
báo này, chúng tôi thực hiện việc đánh giá từ nhiều lỗi của tuyến quang vô tuyến sử dụng phương pháp phân
định hướng ở từng điều kiện thời tiết khác nhau để xác tích hàm Bessel của mô hình mật độ xác suất lỗi định
định được ngưỡng của lỗi định hướng làm ảnh hưởng đến hướng. Bài báo [5] xem xét bài toán tối ưu dung lượng
tỷ số lỗi bit của hệ thống. dừng của tuyến quang vô tuyến khi có lỗi định hướng.
Từ khóa—quang vô tuyến, lỗi định hướng (Pointing
Bài báo [7] xem xét bài toán lỗi định hướng ảnh hưởng
Error), hiệu năng, điều kiện thời tiết
đến tuyến quang vô tuyến khi có nhiễu động không khí.
Tuy nhiên cả ba bài báo đều bỏ qua điều kiện thời tiết
I. GIỚI THIỆU
như hấp thụ và tán xạ, làm kết quả bài toán lỗi định
Ngày nay, công nghệ quang vô tuyến (Free-Space hướng ảnh hưởng đến hiệu năng tuyến quang vô tuyến
Optical communication - FSO) là một chủ đề nóng và có phần không thực tế.
có tầm quan trọng trong hệ thống thông tin. FSO như là Trong bài báo này, chúng tôi sẽ xác định ngưỡng lỗi
một giải pháp thay thế mang tính khả thi về mặt thương định hướng tại máy phát và máy thu làm ảnh hưởng đến
mại cho hệ thống thông tin vô tuyến bởi độ tin cậy và tỷ số lỗi bit ở từng điều kiện thời tiết khác nhau sử dụng
khả năng triển khai nhanh chóng cho mạng dữ liệu và phương pháp quét tham số lỗi định hướng trong chương
thoại [1]. Những kết nối FSO phạm vi ngắn được sử trình Optisystem. Mặc dù sử cùng phương pháp với bài
dụng như một giải pháp thay thế cho những kết nối vô báo bài báo [8], điểm mới của bài báo là xem xét tại
tuyến, để cung cấp mạng truy cập băng thông cho doanh TP. Hồ Chí Minh với những điều kiện cụ thể.
nghiệp giống như là một cầu nối băng thông rộng giữa Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau.
những mạng nội bộ, mạng khu vực đô thị và mạng diện Phần II, chúng tôi trình bày mô hình hệ thống xem xét.
rộng [2]. Hệ thống FSO mặt đất đã chứng tỏ là một Phần III đề cập đến lỗi định hướng của hệ thống FSO
công nghệ bổ sung khả thi trong việc giải quyết những và ảnh hưởng của sự suy hao khí quyển đến hiệu năng
thách thức thông tin liên lạc hiện đại, đặc biệt là những của hệ thống. Trong phần IV, chúng tôi thực hiện mô
nhu cầu về tốc độ dữ liệu băng thông cao của người phỏng trên phần mềm Optisystem để kiểm chứng. Cuối
dùng với một chi phí có thể chấp nhận. FSO được tích cùng, bài báo kết thúc bằng kết luận ở Phần V.
hợp vào trong mạng truy cập làm cho việc truyền xa
và nhanh hơn [3]. Tuy nhiên, những ảnh hưởng trong II. MÔ HÌNH HỆ THỐNG
kênh truyền khí quyển như sương mù dày đặc, khói và Xem xét hệ thống quang vô tuyến gồm có một cặp
nhiễu loạn không khí đặt ra những thách thức lớn nhất máy phát và máy thu, một kênh truyền quang vô tuyến
cho hệ thống FSO mặt đất tầm xa. Ngoài yếu tố về thời trình bày như Hình 1. Máy phát có nhiệm vụ chính là
tiết, những tuyến quang vô tuyến với khoảng cách trên điều chế nguồn dữ liệu vào với sóng mang quang. Sau
một km sẽ chịu ảnh hưởng của lỗi định hướng. Lỗi định đó tín hiệu sẽ được truyền qua khí quyển đến máy thu.
ISBN: 978-604-67-0349-5 304
- Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)
%ӝÿLӅXFKӃYjODVHU %ӝJLҧLÿLӅXFKӃ
0i\SKiW &KPTXDQJ 0i\WKX .KҭXÿӝSKiW
.tQKQJҳP
&KPWLDTXDQJ
Hình 1. Sơ đồ khối của một kênh truyền FSO.
Loại điều chế được sử dụng hầu hết đều là điều chế
cường độ. Trong đó nguồn dữ liệu được điều chế trên
cường độ bức xạ quang. Điều này đạt được bằng cách .KҭXÿӝWKX
thay đổi dòng điều khiển của nguồn quang trực tiếp với
dữ liệu được phát hoặc thông qua một bộ điều chế ngoài
như là bộ giao thoa kế đối xứng Mach-Zehnder. Việc Hình 2. Góc thu và phát lỗi định hướng.
sử dụng bộ điều chế ngoài bảo đảm tốc độ dữ liệu cao
hơn so với bộ điều chế trực tiếp nhưng ở bộ điều chế
ngoài có một đáp ứng phi tuyến. Những đặc tính khác bởi công thức Friis như sau [6]:
của bức xạ quang như là pha, tần số và trạng thái phân 2
λ
cực có thể cũng được điều chế với dữ liệu hoặc thông PR = PT ηT ηR GT GR LT LR (1)
4πd
tin thông qua một bộ điều chế ngoài. Khối truyền tín
hiệu đi xa có nhiệm vụ là tập hợp, chuẩn trực và ngắm với PR là công suất của tín hiệu tại máy thu, PT là công
thẳng hướng bức xạ quang tiến đến khối thu tín hiệu tại suất phát của tín hiệu tại máy phát, ηT ηR là hiệu suất
đầu cuối của kênh truyền. Đa số các hệ thống FSO được quang của máy phát và máy thu, λ là bước sóng phát
thiết kế để hoạt động với các dải bước sóng 780-850 nm của tín hiệu, và d là khoảng cách từ máy phát đến máy
và 1520-1600 nm. Dải bước sóng 780-850nm thì được thu. Độ lợi GT và GR của máy phát và máy thu có công
sử dụng rộng rãi nhất bởi vì với dải bước sóng này thì thức như sau:
thiết bị và linh kiện luôn có sẵn để đáp ứng và giá thành 2 2
πDT πDR
thấp. Dải bước sóng 1550nm thường được sử dụng trong GT = , GR = (2)
λ λ
hệ thống FSO vì i) tương thích với mạng phân ghép khe
theo bước sóng thế hệ thứ 3 ii) an toàn cho mắt và iii) với DT là khẩu độ máy phát và DR là khẩu độ máy
giảm bớt sự ảnh hưởng bức xạ năng lượng mặt trời và thu. Hệ số suy hao, LT và LR do lỗi định hướng của
tán xạ ánh sáng trong điều kiện sương dày đặc. Do đó máy phát và máy thu có công thức như sau:
với bước sóng 1550nm sẽ tạo ra một năng lượng đáng kể
LT = exp −GT θT 2 , LR = exp −GT θR 2 , (3)
có thể truyền vượt qua màn sương dày đặc. Tuy nhiên,
sẽ có mặt hạn chế với dải bước sóng 1550nm là giảm với θT là lỗi định hướng của máy phát và θR là lỗi định
nhẹ độ nhạy của bộ tách sóng, giá thành của linh kiện hướng của máy thu.
cao hơn và đòi hỏi việc kết nối khắc khe hơn. Sự suy hao khí quyển bao gồm hai hiện tượng hấp
Máy thu hỗ trợ việc khôi phục các dữ liệu được phát thụ và tán xạ [9]. Nồng độ các chất trong khí quyển
đi từ phía máy phát bao gồm: bộ thu tín hiệu quang, bộ gây ra sự suy hao tín hiệu theo thời gian và không gian
lọc dải thông quang, bộ tách sóng quang, và bộ xử lý khác nhau, và phụ thuộc vào vị trí và điều kiện thời
tách sóng. tiết hiện tại. Đối với kết nối FSO mặt đất việc truyền
tải tín hiệu quang từ máy phát đến máy thu thông qua
bầu khí quyển ở một khoảng cách d tuân theo định luật
III. LỖI ĐỊNH HƯỚNG CỦA HỆ THỐNG VÀ SỰ Beer-Lampert như sau:
SUY HAO KHÍ QUYỂN
PR
τ (λ, d) = = exp [−y (λ) d] (4)
Tín hiệu quang được truyền qua không gian tự do và PT
chịu tác động của lỗi định hướng như trình bày ở Hình 2. với y (λ) và τ (λ, d) là hai hệ số đại diện cho tổng suy
Ta có công suất thu tại bộ tách sóng quang được cho hao và việc truyền tải tín hiệu quang thông qua bầu khí
ISBN: 978-604-67-0349-5 305
- Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)
quyển ở bước sóng λ tương ứng. Sự suy hao tín hiệu với δ được cho bởi mô hình Kim như sau
quang trong bầu khí quyển bị gây ra bởi những thành ⎧
⎪
⎪ 1.6, V > 50
phần phân tử khí và điều kiện thời tiết. Hệ số suy hao ⎪
⎪
⎨ 1.3, 6 < V < 50
là tổng những hệ số hấp thụ và tán xạ từ những thành δ= 0.16V + 0.34, 1 < V < 6 (8)
phần phân tử và điều kiện thời tiết trong khí quyển có ⎪
⎪
⎪
⎪ V − 0.5, 0.5 < V < 1
công thức như sau: ⎩
0, V < 0.5
y (λ) = αm (λ) + αa (λ) + βm (λ) + βa (λ) (5)
trong đó V là tầm nhìn đơn vị km [10, p. 203].
với αm (λ) và αa (λ) là hai tham số biểu diễn cho sự
IV. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ
hấp thụ bởi những phân tử và các hạt trong khí quyển.
βm (λ) và βa (λ) là hai tham số biểu diễn cho sự tán xạ Phần này chúng tôi tập trung mô phỏng sự ảnh hưởng
bởi những phân tử và các hạt trong khí quyển. của lỗi định hướng lên tỷ số lỗi bit và công suất tín hiệu
Sự hấp thụ là hiện tượng diễn ra khi có sự tương tác của một tuyến quang sử dụng phần mềm Optisystem1 .
giữa sự lan truyền những photon và phân tử trong khí Mô hình mô phỏng kết nối FSO giữa hai điểm trong
quyển dọc theo đường truyền [9]. Một vài photon bị mất thành phố Hồ Chí Minh, xem Hình 3, được trình bày
năng lượng và chuyển đổi thành nhiệt năng. Tham số trong Hình 4. Tốc độ truyền dữ liệu là 1 Gbps, giá trị
hấp thụ phụ thuộc rất nhiều vào phân tử khí và nồng độ lớn nhất của công suất phát được cài đặt là 23.11 dBm
của chúng. Sự hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng. Điều với khoảng cách giữa hai điểm là 1 km trong ba điều
này dẫn đến trong khí quyển tồn tại những vùng trong kiện thời tiết khác nhau: bình thường, sương mù nhẹ và
suốt, dải bước sóng có sự hấp thụ nhỏ nhất, được gọi là sương mù dày đặc. Bảng II cung cấp các thông số kỹ
những cửa sổ truyền tải. Tuy nhiên, các bước sóng sử thuật của kết nối FSO.
dụng trong FSO về cơ bản trùng với các cửa sổ truyền
tải trong khí quyển kết quả là tham số suy hao khí quyển
được quyết định bởi sự tán xạ được viết lại như sau:
y (λ) = βa (λ) (6)
Sự tán xạ là hiện tượng biến đổi hướng truyền của trường
quang trong khí quyển mà không liên quan đến việc thay
đổi hoặc không thay đổi bước sóng [9]. Sự tán xạ phụ
thuộc vào bán kính r của các hạt (sương, phân tử khí)
xảy ra trong suốt quá trình truyền tín hiệu. Tán xạ được
mô tả bằng cách xem xét tham số x0 = 2πr/λ [9]. Nếu
x0
- Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)
Bảng I
LOẠI TÁN XẠ VÀ BÁN KÍNH CÁC HẠT TRONG KHÍ QUYỂN.
Loại r (μm) x0 Tán xạ
Phân tử khí 0.0001 0.00074 Rayleigh
Hạt sương mù 0.01-1 0.074-7.4 Rayleigh-Mie
Giọt sương mù 1-20 7.4-147.8 Mie-Geometrical
Mưa 100-10000 740-74000 Geometrical
Tuyết 1000-5000 7400-37000 Geometrical
Mưa đá 5000-50000 37000-370000 Geometrical
Bảng III
GIÁ TRỊ SUY HAO CÔNG SUẤT THEO ĐIỀU KIỆN THỜI TIẾT
Điều kiện thời tiết Suy hao công suất (dB/km) Tầm nhìn (km)
Bình thường 0.1920 23
Sương mù nhẹ 1.5379 4
Sương mù dày đặc 15.5554 0.8
mức tỷ lệ lỗi bit yêu cầu, ta có thể thấy rằng điều kiện
thời tiết tốt sẽ tăng khả năng chịu đựng của hệ thống
trước lỗi định hướng, xem Hình 5. Ví dụ, chênh lệnh
giữa lỗi định hướng phát giữa điều kiện thời tiết bình
thường và điều kiện thời tiết có sương mù dày đặc là
2.42 μrad tương ứng với 14.58%. Sau đây chúng tôi sử
dụng chương trình mô phỏng Optisystem để xác định
giá trị lỗi định hướng lớn nhất trong những điều kiện
thời tiết bình thường, sương mù nhẹ và sương mù dày
đặc.
Hình 4. Mô hình kết nối FSO trong Optisystem.
Bảng II
THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA KẾT NỐI FSO.
Tham số kênh truyền Giá trị
Tốc độ truyền dẫn 1 Gbps
Khoảng cách truyền (d) 1 Km
Công suất phát quang (PT ) 320 mW
Bước sóng sử dụng (λ) 1550 nm
Hiệu suất quang của bộ phát (ηT ) 0.8
Hiệu suất quang của bộ thu (ηR ) 0.75
Đường kính của bộ phát (DT ) 10 cm
Đường kính của bộ thu (DR ) 10 cm
mù nhẹ và 15.5554 dB/km ở điều kiện thời tiết có sương
mù dày đặc. Tầm nhìn cũng giảm dần trong điều kiện Hình 6. Công suất của tín hiệu tại máy phát.
thời tiết ngày càng khó khăn hơn.
Kết quả trong Bảng IV biểu diễn phạm vi giá trị của Hình 6 trình bày công suất của tín hiệu tại máy phát
lỗi định hướng lớn nhất cho phép để đảm bảo tỷ số với bước sóng được chọn là 1.55 μm. Bước sóng này
lỗi bit không vượt quá 10−9 với đơn vị được tính bằng phù hợp với chuẩn của hệ thống FSO. Ở điều kiện thời
μrad trong ba điều kiện thời tiết khảo sát. Với cùng tiết bình thường, giá trị công suất của tín hiệu tại máy
ISBN: 978-604-67-0349-5 307
- Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)
Bảng IV
GIÁ TRỊ LỖI ĐỊNH HƯỚNG LỚN NHẤT THEO TỪNG ĐIỀU KIỆN THỜI TIẾT.
Điều kiện thời tiết Suy hao công suất (dB/km) Giá trị lớn nhất của Giá trị lớn nhất của
lỗi định hướng phát (μrad) lỗi định hướng thu (μrad)
Bình thường 0.1920 19.01 19.01
Sương mù nhẹ 1.5379 18.81 18.81
Sương mù dày đặc 15.5554 16.59 16.59
Hình 5. Giá trị lỗi định hướng lớn nhất ở các điều kiện thời tiết.
thu ở điều kiện thời tiết bình thường được thể hiện qua tiết sương mù dày đặc được thể hiện qua Hình 11, với
Hình 7, với giá trị suy hao công suất trong không khí là giá trị suy hao công suất trong không khí là 15,5554
0.1920 dB/Km, giá trị lớn nhất của lỗi định hướng phát dB/km, giá trị lớn nhất của lỗi định hướng phát được
được tính ở Bảng IV là 19.01 μrad, BER= 1.09 10−9 tính ở Bảng IV là 16,59 μrad và BER = 1, 03.10−9 và
và giá trị công suất của tín hiệu tại máy thu là -31.69 giá trị công suất của tín hiệu tại máy thu là -31,68 dBm.
dBm. Giá trị BER của hệ thống FSO được xác định theo Giá trị BER của hệ thống FSO được xác định theo
những giá trị của lỗi định hướng phát ở điều kiện thời những giá trị của lỗi định hướng phát ở điều kiện thời
tiết bình thường được thể hiện qua điểm A của Hình 8. tiết có sương mù dày đặc được thể hiện qua điểm A của
Ở điều kiện thời tiết có sương mù nhẹ, giá trị công Hình 12.
suất của tín hiệu tại máy thu trong điều kiện thời tiết Giá trị công suất của tín hiệu tại máy thu ở điều
sương mù nhẹ được thể hiện qua Hình 9 với giá trị suy kiện thời tiết sương mù dày đặc trong trường hợp vượt
hao công suất trong không khí là 1,5379 dB/km, giá trị ngưỡng giá trị lỗi định hướng phát là 19 μrad được thể
lớn nhất của lỗi định hướng phát được tính ở Bảng IV hiện qua Hình 13. Với giá trị suy hao công suất trong
là 18,81 μrad với BER = 1, 06.10−9 và giá trị công suất không khí là 15,5554 dB/km. Giá trị công suất của tín
của tín hiệu tại máy thu là -31,68 dBm. hiệu tại máy thu là -47,75 dBm.
Giá trị BER của hệ thống FSO được xác định theo
những giá trị của lỗi định hướng phát ở điều kiện thời V. KẾT LUẬN
tiết có sương mù nhẹ được thể hiện qua điểm A của Trong bài báo này, chúng tôi đã thực hiện mô phỏng
Hình 10. hệ thống quang vô tuyến qua kênh truyền suy hao không
Ở điều kiện thời tiết có sương mù dày đặc, giá trị khí ở những điều kiện thời tiết khác nhau với khoảng
công suất của tín hiệu tại máy thu trong điều kiện thời cách d = 1 km và bước sóng λ = 1550 nm. Qua kết quả
ISBN: 978-604-67-0349-5 308
- Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)
Hình 7. Công suất của tín hiệu tại máy thu ở điều kiện thời tiết bình Hình 9. Công suất của tín hiệu tại máy thu ở điều kiện thời tiết sương
thường. mù nhẹ.
Hình 10. Giá trị lỗi định hướng phát lớn nhất 18,81 μrad ở điều kiện
thời tiết sương mù nhẹ.
thống còn phụ thuộc vào độ dài bước sóng và khoảng
Hình 8. Giá trị lỗi định hướng phát lớn nhất 19.01 μrad ở điều kiện
thời tiết bình thường.
cách truyền.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
mô phỏng chúng tôi có hai kết luận quan trọng: i) lỗi [1] N. Ghazisaidi, M. Maier, and C. M. Assi, “Fiber-wireless (fiwi)
định hướng ảnh hưởng rõ rệt lên hiệu năng của hệ thống access networks: A survey,” IEEE Communications Magazine,
vol. 47, no. 2, pp. 160–167, 2009.
FSO. Khi điều kiện thời tiết trở nên khó khăn hơn, ảnh [2] C. Lethien, C. Loyez, and J. P. Vilcot, “Potentials of radio over
hưởng này trở nên mạnh hơn và ii) hiệu năng của hệ multimode fiber systems for the in-buildings coverage of mo-
ISBN: 978-604-67-0349-5 309
- Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)
Hình 13. Công suất của tín hiệu tại máy thu ở điều kiện thời tiết sương
mù dày đặc, φT = φR = 19 μrad.
Hình 12. Giá trị lỗi định hướng phát lớn nhất 16,59 μrad ở điều kiện
thời tiết sương mù dày đặc
bile and wireless lan applications,” IEEE Photonics Technology
Letters, vol. 17, no. 12, pp. 2793–2795, 2005.
[3] D. Wake, A. Nkansah, and N. J. Gomes, “Radio over fiber
link design for next generation wireless systems,” Journal of
Lightwave Technology, vol. 28, no. 16, pp. 2456–2464, 2010.
[4] V. Vilnrotter, “The effects of pointing errors on the performance
of optical communications systems,” TDA Progress Report 42,
vol. 63, pp. 136–146, 1981.
[5] A. A. Farid and S. Hranilovic, “Outage capacity optimization
for free-space optical links with pointing errors,” Journal of
Lightwave technology, vol. 25, no. 7, pp. 1702–1710, 2007.
[6] X. Liu, “Performance of the wireless optical communication
system with variable wavelength and bessel pointing loss factor,”
in Proc. 2008 IEEE Wireless Communications and Networking
Conference (WCNC’08). IEEE, pp. 797–802.
[7] D. K. Borah and D. G. Voelz, “Pointing error effects on free-
space optical communication links in the presence of atmo-
spheric turbulence,” Journal of Lightwave Technology, vol. 27,
no. 18, pp. 3965–3973, 2009.
[8] N. A. Mohammed, A. S. El-Wakeel, and M. H. Aly, “Pointing
error in fso link under different weather conditions,” Interna-
tional Journal of Video Image Processing and Network Security,
Hình 11. Công suất của tín hiệu tại máy thu ở điều kiện thời tiết sương vol. 12, no. 01, pp. 06–09, Feb. 2012.
mù dày đặc, φT = φR = 16.59 μrad. [9] Z. Ghassemlooy and W. Popoola, “Terrestrial free-space optical
communications,” Mobile and Wireless Communications Net-
work Layer and Circuit Level Design, pp. 362–363, 2010.
[10] W. Popoola, “Subcarrier intensity modulated free-space optical
communication systems,” Thesis, 2009.
ISBN: 978-604-67-0349-5 310
nguon tai.lieu . vn
