1. Trang Chủ
  2. Quản trị kinh doanh
  3. Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thông: Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam

Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thông: Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam

Mục tiêu nghiên cứu đồ án này là tìm hiểu hệ thống truyền thông quang không dây (Free Space Optics- FSO) và các ưu, nhươc điểm và các phương pháp khăc phục. Tìm hiểu các bộ phận, yếu tố và các vấn đề trong việc xây dựng một hệ thống thông tin quang không dây. Phân tích các yếu tố khí hậu, môi trường của Việt Nam. Tính toán và áp dụng lý thuyết để mô phỏng thiết kế,tối ưu hệ thống FSO tại Việt Nam. TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HỮU NGHỊ VIỆT-HÀN KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT N

Thể loại Tài liệu miễn phí Quản trị kinh doanh

Số trang 66

Ngày tạo 4/4/2023 9:27:42 PM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 3.79 M

Tên tệp

Tải Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật điện tử truyền... (.pdf)

Xem mẫu

  1. TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HỮU NGHỊ VIỆT-HÀN KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG KHÔNG DÂY VÀ VẤN ĐỀ THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN, TỐI ƢU TUYẾN TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM SVTH : Hồ Thị Kim Tiến Lớp : CCVT06B Niên khóa : 2013 - 2016 CBHD : ThS. Dương Hữu Ái Đà Nẵng, tháng 6 năm 2016
  2. LỜI CẢM ƠN Trải qua 3 năm học- một chặng đường nhiều thử thách, khó khăn nhưng cũng đạt được không ít thành công đối với bản thân em. Trong khoảng thời gian hoàn hành đồ án tốt nghiệp có nhiều lúc em thấy rất áp lực, nhưng nhờ sự giúp đỡ của bạn bè, sự hướng dẫn tận tình của thầy cô đã giúp em rất nhiều trong quá trình thực hiện đồ án này. Đây sẽ là cơ hội để em gửi lời cảm ơn đến mọi người. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS. Dương Hữu Ái, giảng viên khoa Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông, trường Cao Đẳng CNTT Hữu Nghị Việt – Hàn, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đồ án. Em cũng xin chân thành cảm ơn nhà trường, thầy cô giáo trường Cao Đẳng CNTT Hữu Nghị Việt – Hàn nói chung, các thầy cô trong khoa Điện Tử - Viễn Thông nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có được kiến thức, cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập. Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập cũng như hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng, tháng 5 năm 2016 Sinh viên Hồ Thị Kim Tiến i
  3. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................i MỤC LỤC ..................................................................................................................... ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................................v DANH MỤC BẢNG .....................................................................................................vi DANH MỤC HÌNH .................................................................................................... vii PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................................1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY (Free Space Optics - FSO) ..................................................................4 1.1. Giới thiệu về hệ thống truyền thông quang FSO .............................................4 1.1.1 Khái niệm về FSO ..........................................................................................4 1.1.2 Lịch sử phát triển ...........................................................................................5 1.1.3 Ưu, nhược điểm của FSO ..............................................................................6 1.2 Các kiến trúc mạng đƣợc dùng trong FSO mặt đất .........................................9 1.2.1 Kiến trúc mạng lưới ......................................................................................9 1.2.2 Kiến Trúc Mạng Điểm – Đa Điểm .............................................................. 10 1.2.3 Kiến Trúc Mạng Nhiều Tuyến Điểm – Điểm..............................................11 1.2.4 Kiến Trúc Mạng Vòng .................................................................................11 1.3 Mô hình hệ thống FSO ......................................................................................11 1.3.1. Bộ phát .........................................................................................................12 1.3.2 Kênh truyền ..................................................................................................12 1.3.3 Bộ thu............................................................................................................13 1.4. Kết luận ..............................................................................................................13 CHƢƠNG 2: MỘT SỐ ỨNG DỤNG TIÊU BIỂU CỦA HỆ THỐNG FSO ..........14 2.1 Ứng dụng trong thông tin mặt đất ...................................................................14 2.1.1 Kết nối tốc độ cao giữa các tòa nhà ............................................................ 14 2.1.2 Ứng dụng trong mạng truy nhập đầu cuối .................................................15 2.1.3 Ứng dụng trong trao đổi thông tin cá nhân ................................................17 2.2 Ứng dụng trong thông tin vệ tinh .....................................................................17 2.2.1 Phục vụ các hoạt động của con người trong không gian ..........................18 2.2.2 Truyền dữ liệu từ những vệ tinh quan sát ..................................................19 ii
  4. 2.2.3 Trao đổi thông tin giữa tàu vũ trụ và các vệ tinh .......................................19 CHƢƠNG 3: CÁC VẤN ĐỀ TRONG VIỆC THIẾT KẾ TUYẾN QUANG KHÔNG DÂY ..............................................................................................................20 3.1 Giới thiệu chƣơng .............................................................................................. 20 3.2 Đặc điểm, yêu cầu của bộ phát .........................................................................20 3.3.1 Nguồn phát ...................................................................................................21 3.3.2 Bộ khuếch đại ............................................................................................... 23 3.3 Đặc điểm, yêu cầu của bộ thu ...........................................................................23 3.3.1 Bộ tách sóng các bước sóng ngắn (hồng ngoại 1330nm) ..........................23 3.3.2 Bộ tách sóng các bước sóng dài (hồng ngoại 1550nm) ............................. 24 3.4 Đặc điểm kênh truyền trong hệ thống FSO.....................................................25 3.4.1. Các loại suy hao trong môi trường truyền dẫn FSO .................................25 3.4.2 Ảnh hưởng của sự thay đổi không khí đến chất lượng tín hiệu ................27 3.5 Yếu tố ảnh hƣởng, đánh giá, nâng cao chất lƣợng tuyến quang không dây 28 3.5.1 Tham số ảnh hưởng đến chất lượng của tuyến ..........................................28 3.5.1.1 Phương trình truyền của tuyến ............................................................... 28 3.5.1.2 Độ suy giảm của không khí ....................................................................30 3.5.2 Tham số đánh giá chất lượng của tuyến .....................................................32 3.5.2.1 Khả năng sử dụng tuyến .........................................................................32 3.5.2.2 Tỉ lệ lỗi bit BER và tốc độ dữ liệu trên khoảng cách truyền ..................32 3.5.3 Tham số nâng cao chất lượng của tuyến ....................................................34 3.6 Lựa chọn tần số ..................................................................................................35 3.6.1 Ảnh hưởng của sự suy giảm không khí tới bước sóng .............................. 35 3.6.2 Thiết bị thu, phát ..........................................................................................37 3.6.3 Sự an toàn với mắt người ............................................................................37 3.7 Kết luận chƣơng ................................................................................................ 38 CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ TỐI ƢU TUYẾN THÔNG TIN QUANG KHÔNG DÂY TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM ................39 4.1 Giới thiệu chƣơng .............................................................................................. 39 4.2 Đánh giá điều kiện thời tiết Việt Nam và tính toán suy hao thực tế có thể có đối đƣờng truyền FSO tại Việt Nam ......................................................................39 4.2.1 Khí hậu Việt Nam .........................................................................................39 iii
  5. 4.2.2 Tính toán độ suy hao tuyến FSO thực tế có thể có tại Việt Nam...............41 4.2.3 Tính toán độ dự trữ công suất và BER tuyến FSO ....................................43 4.3.1 Lưu đồ thuật toán, chương trình và kết quả tính toán bằng Matlab ........44 4.3.2 Mô phỏng tuyến FSO 1km bằng phần mềm Optisystem 7.0 ......................50 KẾT LUẬN ..................................................................................................................55 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................56 NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN iv
  6. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Thuật ngữ tiếng anh Nghĩa tiếng việt APD (Si- Silicon Avalanche Photodiode APD) EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier FSO Free-space optical communication Thông tin quang không dây FTTH Fibre to the home Internet cáp quang IM Intensity Modulation Điều chế cường độ InGaA Indium gallium arsenide LOS Light Of Sight Truyền dẫn thẳng LD Lazer Diode Diot Laze NRZ Non-return to zero Không trở về không OOK On-Off Keying Khóa đóng mở SOA Semiconductor optical amplifiers Bộ khuếch đại bán dẫn quang Si-PIN Silicon PIN P-type, Intrinsic, N- type SNR Signal to noise ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm UWB Ultra wide band Băng siêu rộng VCSELs vertical-cavity surface-emitting Laser phát xạ mặt với bộ laser cộng hưởng thẳng đứng v
  7. DANH MỤC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 3.1 Phân loại độ an toàn laser của bộ phát nguồn 20 3.2 bán kính của hạt tán xạ trong không khí và tham số kích 31 thước tương ứng của bước sóng laser 785 nm và 1550 nm. vi
  8. DANH MỤC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang Hình 1.1 Hệ thống truyền thông quang không dây 4 Hình 1.2 Chương trình MLCD của NASA 6 Hình 1.3 Những thách thức đối với FSO 8 Hình 1.4 Kiến trúc mạng lưới 10 Hình 1.5 Kiến trúc mạng điểm- đa điểm 10 Hình 1.6 Kiến trúc điểm- điểm 11 Hình 1.7 Kiến trúc mạng vòng 11 Hình 1.8 Sơ đồ khối của hệ thống truyền thống truyền thông quang không dây 12 Hình 2.1 Kết nối tốc độ cao giữa các tòa nhà 15 Hình 2.2 FSO ứng dụng trong mạng truy nhập đầu cuối 16 Hình 2.3 FSO trong thông tin vệ tinh 18 Hình 2.4 Truyền dẫn quang không dây từ vệ tinh tới trạm mặt đất 19 Hình 3.1 Dòng laser, điền áp thuàn và công suất quang đầu ra 21 Hình 3.2 Điều chế IM ở hai nhiệt độ khác nhau 22 Hình 3.3 Cấu tạo Laser VCSEL 22 Hình 3.4 Mô hình một bộ thu phát Laser dùng trong hệ thống FSO 25 Hình 3.5 Ảnh hưởng của môi trường đến tuyến FSO 26 Hình 3.6 Vệt đốm và kích thước trung bình miệng thu 28 Hình 3.7 Công suất thu phụ thuộc vào tích hệ số suy giảm và khoảng cách 29 Hình 3.8 Tham số kích thước hạt tán xạ 31 Hình 3.9 Ảnh hưởng của sương mù, bão tuyết 33 Hình 3.10 Hệ số BER trên khoảng cách ở 1,25Gb/s 33 Hình 3.11 Tốc độ dữ liệu trên khoảng cách 34 Hình 3.12 Hàm thời gian sống của diode giảm theo chiều tăng nhiệt độ 34 Hình 3.13 Thời gian sống tỉ lệ nghịch với công suất ra của laser 35 Hình 3.14 Sự phụ thuộc truyền bước sóng vào những điều kiện không khí, được 36 đo ở khoảng cách 1km, tầm nhìn là 200m Hình 4.1 Mô tả ngày sương mù bình quân tại các tỉnh thành trên cả nước 41 Hình 4.2 BER thay đổi theo công suất phát ở 1550nm và tốc độ 1.25Gbps 50 Hình 4.3 Preceive thay đổi theo BER bước sóng 1550nm và tốc độ 1,25Gbps 50 Hình 4.4 Mô hình tuyến FSO 1km tại Việt Nam 52 Hình 4.5 Giản đồ mắt và min BER channel 7 53 Hình 4.6 Giản đồ mắt và channel kênh 3 53 vii
  9. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, sự gia tăng không ngừng của lưu lượng Internet và sự phát triển nhanh chóng của các công nghệ quang đã tạo nên những bước chuyển biến mới mẻ trong kiến trúc mạng viễn thông. Các hệ thống truyền thông quang sử dụng sợi quang hiện nay có khả năng truyền tải với dung lượng lớn, kết nối nhiều người dùng và cung cấp nhiều loại dịch vụ như thoại, fax, hình ảnh, số liệu. Cùng có khả năng truyền dẫn tốc độ cao, nhưng các hệ thống truyền thông quang không dây (Free Space Optics- FSO) lại dễ dàng lắp đặt, di chuyển hoặc thiết lập lại cấu hình mạng khi cần. FSO là công nghệ viễn thông sử dụng sự truyền lan ánh sáng trong không gian để truyền tín hiệu giữa hai điểm, trong đó tín hiệu quang, thay vì truyền trong sợi quang, sẽ được phát đi trong một búp sóng quang qua không gian. FSO có độ an toàn cao vì sử dụng thông tin tầm nhìn thẳng LOS (line-of-sight) và tính hướng của búp sóng quang cao. Tương lai ngày càng đòi hỏi phải có các giải pháp truyền dẫn tốc độ cao để đáp ứng yêu cầu của các doanh nghiêp, tổ chức và cá nhân. Truyền thông quang không dây (FSO) là một công nghệ rất hứa hẹn đang ngày càng nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. Dung lượng của hệ thống FSO tương đương với dung lượng của thông tin cáp quang, tuy nhiên giá thành để triển khai lại chỉ bằng một phần nhỏ so với FTTH. Thêm vào đó, hệ thống FSO có thể nhanh chóng được triển khai sử dụng và tái sử dụng. Tuy nhiên, hầu như chưa có nhiều nghiên cứu tại Việt Nam về công nghệ truyền thông quang không dây này. Đặc biệt là xu hướng chung của thế giới đã và đang chuyển sang nghiên cứu đến các hệ thống FSO. Vì vậy em xin chọn đề tài: “Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam”. Nội dung đồ án được chia thành 4 chương: Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền thông quang không dây FSO (Free Space Optics - FSO) Chương 2: Một số ứng dụng tiêu biểu của hệ thống FSO Chương 3: Các vấn đề trong việc thiết kế tuyến quang không dây Chương 4: Thiết kế, tính toán và tối ưu tuyến thông tin quang không dây trong điều kiện khí hậu Việt Nam. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 1
  10. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu hệ thống truyền thông quang không dây (Free Space Optics- FSO) và các ưu, nhươc điểm và các phương pháp khăc phục. - Tìm hiểu các bộ phận, yếu tố và các vấn đề trong việc xây dựng một hệ thống thông tin quang không dây. - Phân tích các yếu tố khí hậu, môi trường của Việt Nam. Tính toán và áp dụng lý thuyết để mô phỏng thiết kế,tối ưu hệ thống FSO tại Việt Nam. - Vận dụng kiến thức lý thuyết và nêu được ứng dụng của FSO vào thực tiễn. - Rèn luyện kỹ năng làm việc độc lập. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. - Nghiên cứu, tìm hiểu tổng quan hệ thống truyền thông quang không dây. - Các vấn đề trong việc thiết kế một hệ thống quang không dây. - Khí hậu, điều kiện thời tiết tại Việt Nam để thực hiện mô phỏng tuyến FSO. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - thu thập dữ liệu, tìm hiểu qua các phương tiện truyền thông (sách báo, internet…) các tài liệu có liên quan để thuận tiện trong việc nghiên cứu và thực hiện đồ án. - Tham khảo ý kiến các ý đóng góp, tiếp thu các hướng dẫn và gợi ý của giảng viên hướng dẫn đồ án tốt nghiệp. 5. Dự kiến kết quả - Nắm vững các kiến thức công nghệ mới FSO, các thuật ngữ chuyên nghành thông qua sự hướng dẫn của giảng viên hướng dẫn. - Thiết kế mô phỏng hệ thống FSO tại Việt Nam trên phần mềm Optisystem - Nêu ra được các ứng dụng của công nghệ truyền thông qua FSO - Một số nội dung khác phát sinh trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp và các thông tin cập nhật. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Truyền thông quang không dây (FSO) là một công nghệ rất hứa hẹn đang ngày càng nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. Dung lượng của hệ thống FSO tương đương với dung lượng của thông tin cáp quang, tuy nhiên giá thành để triển khai lại chỉ bằng một phần nhỏ so với FTTH. Thêm vào đó, hệ thống FSO có thể nhanh chóng được triển khai sử dụng và tái sử dụng. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 2
  11. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam Tuy nhiên, hầu như chưa có nhiều nghiên cứu tại Việt Nam về công nghệ truyền thông quang không dây này. Đặc biệt là xu hướng chung của thế giới đã và đang chuyển sang nghiên cứu đến các hệ thống FSO. Hy vọng đồ án sẽ là bước đệm cho các sinh viên khóa sau tìm hiểu và nghiên cứu sâu hơn về công nghệ mới này. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 3
  12. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY (Free Space Optics - FSO) Chương 1 sẽ trình bày những định nghĩa khái niệm cơ bản nhất về công nghệ FSO và lịch sử phát triển, nhằm mục đích cung cấp cho người đọc cái nhìn tổng thể và trực quan nhất về công nghệ còn khá mới mẻ này tại Việt Nam. 1.1. Giới thiệu về hệ thống truyền thông quang FSO 1.1.1 Khái niệm về FSO Về cơ bản, FSO là công nghệ truyền thông tin, dữ liệu giữa 2 điểm sử dụng bức xạ quang như là tín hiệu mang tin và được truyền qua các kênh truyền tự do. Dữ liệu cần truyền được điều chế vào cường độ, pha, hoặc tần số của bức xạ quang mang tin. Một đường truyền dẫn FSO về cơ bản là đường truyền dẫn thẳng (Light Of Sight- LOS), vì vậy để đảm bảo trao đổi thông tin thành công, yêu cầu máy thu và máy phát phải có thể “nhìn” thấy nhau một cách trực tiếp mà không có bất kỳ một chướng ngại vật nào trên đường truyền. Kênh truyền tự do có thể là trong không gian vũ trụ giữa các vệ tinh, dưới nước, trong khí quyển hoặc là sự kết hợp của các loại môi trường trên trong cùng một tuyến thông tin. Truyền thông FSO qua khoảng cách một vài kilomet có thể đạt tới tốc độ dữ liệu hàng Gbps. Công nghệ FSO cung cấp tiềm năng về dung lượng băng thông truyền thông sử dụng các bước sóng quang không cần cấp phép. Hình 1.1 Hệ thống truyền thông quang không dây SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 4
  13. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam 1.1.2 Lịch sử phát triển Thông tin quang trong môi trường tự do (FSO) là một công nghệ đã có từ lâu đời sử dụng sự truyền lan ánh sáng trong không gian để truyền tín hiệu giữa hai điểm. Truyền thông tin quang trong môi trường tự do được đặt nền móng lần đầu tiên là bởi thí nghiệm Photophone thực hiện bởi Alexander Graham Bell vào năm 1880. Trong thí nghiệm của mình, Bell đã điều chế bức xạ của mặt trời với tín hiệu âm thanh và truyền đi qua khoảng cách khoảng 200 m. Máy thu được làm từ một chiếc gương parabol với một tế bào Selen đặt tại tiêu điểm. Tuy nhiên, thí nghiệm cho kết quả không thực sự tốt do thiết bị sử dụng thô sơ và sự gián đoạn tự nhiên của bức xạ mặt trời. Cột mốc quan trọng đánh dấu sự phát triển của công nghê FSO đó là sự tìm ra các nguồn quang, mà quan trọng nhất là laser vào những năm 1960. Hàng loạt các nghiên cứu về FSO đã được thực hiện từ những năm đầu 60 đến những năm 70, ví dụ như: truyền phổ của tín hiệu truyền hình qua khoảng cách 48 km sử sụng diode phát quang GaA được thực thi bởi cách nhà khoa học của học viện MIT năm 1962; tháng 5 năm 1963, tín hiệu âm thanh được điều chế với laser He-NE đã đươc truyền qua 190km giữa 2 ngọn núi Panamint Ridge và San Gabriel tại Mỹ; truyền dẫn Laser trong không gian được sử dụng với mục đích thương mại lần đầu tiên được xây dựng ở Nhật Bản bởi công ty điện tử Nippon vào năm 1970 - là đường truyễn dẫn song công, sử dụng Laser He-Ne bước sóng 0.6328 μm, truyền thông tin giữa Yokohama và Tamagawa với khoảng cách 14km. Từ quãng thời gian này trở đi, công nghệ FSO tiếp tục được nghiên cứu và thử nghiệm mạnh mẽ, đặc biệt là trong thông tin quân sự. FSO cũng đã và đang được nghiên cứu để sử dụng cho truyền thông trong vũ trụ bởi NASA và ESA với các chương trình như là the Mars Laser Communication Demonstration (MLCD) và the Semiconductor-laser Inter-satellite Link Experiment (SILEX). Trong vòng vài thập kỷ vừa qua, công nghệ FSO đã được nghiên cứu và chứng minh một cách thành công là có thể được sử dụng trong truyền thông vũ trụ giữa các vệ tinh với tốc độ dữ liệu có thể lên tới 10 Gbps. Mặc dù những kiến thức về các kỹ thuật cần thiết để xây dựng một hệ thống thông tin FSO đã được nghiên cứu bởi nhiều nhà khoa học khác nhau trong nhiều năm liền. Tuy nhiên hệ thống thông tin FSO cho đến nay đây vẫn còn chưa được áp dụng SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 5
  14. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam phổ biến bởi nhiều nguyên nhân khác nhau: - Các hệ thống thông tin liên lạc đang tồn tại đã đủ để giải quyết các nhu cầu thông tin hiện thời. - Những nghiên cứu và phát triển đáng kể của công nghệ FSO cần phải được cải thiện độ tin cậy của các khối để đảm bảo độ tin cậy của toàn hệ thống. - Một hệ thống trong không gian luôn chịu ảnh hưởng bởi sự gián đoạn khi có mặt sương mù dày đặc. - Ngay cả khi sự ảnh hưởng của khí quyển có thể được bỏ qua, thì hệ thống FSO luôn yêu cầu phát hướng điểm chính xác và bộ phận đeo bám nhạy-là những điều vẫn chưa được giải quyết triệt để cho đến tận bây giờ. Tất cả những lý do đó giải thích tại sao cho đến tận bây giờ, công nghệ FSO vẫn chưa được sử dụng rộng dãi trong các mạng truy nhập. Hình 1.2 Chương trình MLCD của NASA 1.1.3 Ưu, nhược điểm của FSO  Ưu điểm: - Băng thông rất lớn: trong bất cứ hệ thống thông tin nào, lượng dữ liệu, thông tin được truyền đi có liên hệ trực tiếp với băng thông của tín hiệu mang tin điều chế. Lượng băng thông cho phép có thể đạt tới 20% của tần số tín hiệu mang. Sử dụng tín hiệu mang là bức xạ quang với khoảng tần số từ 1012-1016 Hz có thể cho băng thông lên tới 2000 Thz. Vì thế mà so với những hệ thống thông tin vô tuyến, thông tin quang đảm bảo lưu lượng thông tin lớn hơn rất nhiều bởi vì tần số của tín hiệu mang tin là bức xạ quang lớn hơn rất nhiều so với tần số sóng mang vô tuyến. - Bán kính tia nhỏ: Bức xạ quang có bán kính tia cực kỳ hẹp, có nghĩa là công SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 6
  15. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam suất phát chỉ phải tập trung trong một diện tích rất là hẹp. Điều này cho phép một đường truyền FSO có sự cách ly không gian đủ để tránh nhiễu từ cách đường truyền FSO khác. Sự chiếm dụng về không gian rất hẹp cũng cho phép các tia laser hoạt động gần như độc lập với nhau, vì thế nên khả năng sử dụng lại tần số gần như là vô hạn trong nhiều môi trường khác nhau. Tuy nhiên, sự hẹp của bức xạ quang cũng đồng nghĩa với yêu cầu về đồng bộ thu phát rất cao. - Phổ tần sử dụng không cần cấp phép: Trong thông tin vô tuyến, các sóng mang có tần số gần nhau gây nhiễu lên nhau chính là vấn đề lớn nhất của thông tin vô tuyến. Để giảm thiểu vấn đề này, các tổ chức quản lý tài nguyên tần số được thành lập để quản lý việc cấp phát và sử dụng tần số của các cá nhân, tổ chức. Vì thế để được cấp phát một dải tần để sử dụng cần phải tốn rất nhiều chi phí và thời gian. Hiện tại thì các tần số quang không phải chịu sự quản lý này do các tín hiệu mạng là bức xạ quang hầu như không gây nhiễu lên nhau ngay cả khi hai đường truyền quang có cùng tần số đặt cạnh nhau. - Rẻ: Giá thành để triển khai một hệ thống thông tin FSO rẻ hơn rất nhiều so với một hệ thống thông tin vô tuyến thông thường khi có tốc độ dữ liệu tương đương nhau. Điều này là do FSO không yêu cầu phí cấp phát dải tần sử dụng và các thành phần trong đường truyền FSO cũng rẻ hơn nhiều. Theo một nghiên cứu gần đây của Canada, giá của 1 Mbps trên một tháng của một hệ thống FSO rẻ bằng một nửa của hệ thống vô tuyến thông thường. - Nhanh chóng và dễ dàng triển khai cũng như tái sử dụng: thời gian cần thiết để triển khai một đường truyền FSO có thể chỉ vài giờ. Yêu cầu chính là việc thành lập một đường truyền không bị cản trở về tầm nhìn giữa máy thu và máy phát. Đường truyền FSO cũng có thể dễ dàng mang đi sử dụng ở khu vực các một cách nhanh chóng và dễ dàng - An toàn thông tin cao: Mặc dù FSO là công nghệ không dây nhưng nó không phát quảng bá tới bất kỳ người nào và tất cả mọi người. FSO phát búp sóng ánh sáng hẹp, tần số rất cao tới một nơi xác định. Do đó rất khó cho một cá nhân nào đó có thể thu trộm thông tin mà không bị phát hiện. Các hệ thống FSO thường được lắp đặt càng cao càng tốt để các phương tiện giao thông qua lại không làm ảnh hưởng tới búp sóng quang. Một con chim có thể làm gián đoạn việc truyền thông tin, nhưng điều đó chỉ xảy ra trong chốc lát và hệ thống sẽ nhanh chóng phục hồi. Trong khi đó, việc thu trộm SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 7
  16. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam thông tin đòi hỏi phải đặt thiết bị trên đường đi của búp sóng trong khoảng thời gian dài. Phải thừa nhận rằng việc đặt thiết bị thu trộm thông tin giữa hai khối FSO là rất khó khăn do kích thước búp quang rất hẹp, khó xác định được vị trí búp, búp lại thường được đặt ở rất cao và không gần bất cứ thứ gì. Việc phát hiện thiết bị thu trộm là hoàn toàn có khả năng thực hiện được do búp quang trong tầm nhìn thẳng, có thể sử dụng các máy quay phim để giám sát việc lắp đặt thiết bị thu trộm và đường truyền của búp sóng quang để phát hiện bất cứ hoạt động khả nghi nào.  Nhược điểm: Giới hạn cơ bản của FSO do môi trường truyền dẫn gây ra. Với FSO truyền trong môi trường khí quyển thì sự hoạt động của hệ thống FSO phụ thuộc rất nhiều vào thời tiết và điều kiện khí quyển. Sự không cố định về tính chất của kênh truyền FSO là trở ngại lớn nhất trong việc triển khai một hệ thống FSO. Tuy nhiên điều này không xảy ra chỉ với FSO, các đường truyền vô tuyến hay thông tin vệ tinh cũng bị ảnh hưởng bởi thời tiết và có thể bị mất liên kết trong điều kiện mưa lớn hay tuyết. Ngoài việc tuyết và mưa có thể làm cản trở đường truyền quang, FSO chịu ảnh hưởng mạnh bởi sương mù và sự hỗn loạn của không khí. Những thách thức chính trong việc thiết kế hệ thống FSO: Hình 1.3 Những thách thức đối với FSO - Sự trôi búp Sự trôi búp xảy ra khi luồng gió hỗn loạn (gió xoáy) lớn hơn đường kính của búp sóng quang gây ra sự dịch chuyển chậm nhưng đáng kể của búp sóng quang. Sự trôi búp cũng có thể là kết quả của các hoạt động địa chấn gây ra sự dịch chuyển tương đối giữa vị trí của laser phát và bộ thu quang. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 8
  17. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam - Giữ thẳng hướng phát-thu khi tòa nhà dao động Giữ thẳng hướng giữa khối phát và khối thu là rất quan trọng nhằm đảm bảo sự thành công của việc truyền tín hiệu. Đây thực sự là vấn đề phức tạp khi sử dụng búp sóng hẹp phân tán góc và tầm nhìn (FOV). 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 kỳ theo ngày hoặc mùa thì động đất lại không 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. Sự dao động của tòa nhà là một quá trình ngẫu nhiên làm ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống và gây ra lỗi. - Sự an toàn cho mắt Với sự gia tăng của các hệ thống truyền thông quang vô tuyến sử dụng các búp laser hướng về các vùng dân cư mật độ cao, sự an toàn cho mắt là vấn đề đáng được quan tâm. Những hệ thống FSO này phải an toàn đối với mắt, có nghĩa là chúng phải không gây nguy hiểm cho những người vô 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. Khi thiết kế các hệ thống thông tin quang, người thiết kế phải đảm bảo rằng các bức xạ quang phải an toàn và không được gây ra bất cứ tác hại nào cho những người mà tiếp xúc với nó. Các tia bức xạ quang có thể gây tổn thương cho cả da và mắt, tuy nhiên tác hại đối với mắt là đáng ngại hơn cả bởi vì mắt có khả năng tập trung năng lượng quang. Mắt người có thể tập trung ánh sáng trong dải từ 0.4-1.4 μm. Những dải bước sóng khác có xu hướng bị hấp thụ bởi giác mạc của mắt trước khi năng lượng được tập trung. 1.2 Các kiến trúc mạng đƣợc dùng trong FSO mặt đất Các hệ thống FSO có thể được thiết kế và làm việc trong bất kỳ cấu hình mạng nào, bao gồm cấu hình lưới, điểm – điểm, điểm – đa điểm, vòng. Việc 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. 1.2.1 Kiến trúc mạng lưới 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 những mạng kiểu này, mọi 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 SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 9
  18. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam cao. Kiến trúc mạng lưới có độ tin cậy cao, dễ thêm nút mạng nhưng bị giới hạn về khoảng cách. Hình 1.4 Kiến trúc mạng lưới 1.2.2 Kiến Trúc Mạng Điểm – Đa Điểm 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 thông thấp hơn kiến trúc điểm – điểm. Hình 1.5 Kiến trúc mạng điểm- đa điểm Trong kiến trúc mạng điểm – đa điểm một nút mạng đóng vai trò như một nút khởi đầu và nhiều tuyến quang vô tuyến được bắt nguồn từ nút này. Phương pháp hiệu quả nhất là nối mỗi tuyến FSO tới một thiết bị lớp 2 hoặc lớp 3 đặt trong một phòng của tòa nhà. Sau đó các tuyến này được nối bằng sợi quang tới bộ chuyển mạch hoặc định tuyến đặt ở vị trí bất kỳ trong tòa nhà, có thể là tầng trên cùng hay ở một phòng khác. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 10
  19. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam 1.2.3 Kiến Trúc Mạng Nhiều Tuyến Điểm – Điểm Hình 1.6 Kiến trúc điểm- điểm Kiến trúc mạng nhiều tuyến điểm – điểm thích hợp cho những trường hợp cần tạo ra một tuyến mở rộng vượt quá giới hạn cự ly 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. 1.2.4 Kiến Trúc Mạng Vòng Hình 1.7 Kiến trúc mạng vòng Trong kiến trúc mạng vòng, các nút mạng nối với nhau thông qua các tuyến quang vô tuyến tạo thành vòng khép kín và có thể phân nhánh thành các tuyến điểm – điểm. Kiến trúc mạng vòng có độ tin cậy cao hơn kiến trúc điểm – điểm và điểm – đa điểm. Đồng thời, nó lại không phức tạp như kiến trúc mạng lưới. 1.3 Mô hình hệ thống FSO Cũng giống như bất kỳ một hệ thống thông tin nào khác, một hệ thống FSO cũng bao gồm 3 thành phần cơ bản: máy phát, kênh truyền dẫn và máy thu. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 11
  20. Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam Các thành phần chính trong hệ thống truyền thông quang không dây được minh họa như trong hình 1.8 Hình 1.8 Sơ đồ khối của hệ thống truyền thông quang không dây 1.3.1. Bộ phát Dữ liệu đầu vào phía nguồn được truyền tới một đích ở xa. Phía nguồn có cơ chế điều chế sóng mang quang riêng, chẳng hạn như điều chế laser, tín hiệu quang sau đó sẽ được truyền đi qua kênh khí quyển. Các tham số của hệ thống phát quang là kích cỡ, công suất và chất lượng búp sóng, các tham số này xác định cường độ laser và góc phân kỳ nhỏ nhất có thể đạt được từ hệ thống. Phương thức điều chế được sử dụng rộng 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. 1.3.2 Kênh truyền Kênh truyền của một hệ thống FSO là kênh truyền tự do có thể trong môi trường nước, không gian, khí quyển. Một kênh thông tin quang khác với kênh nhiễu Gauss thông thường đó là trong kênh thông tin quang, tín hiệu truyền đi x(t) thể hiện công suất chứ không phải biên độ. Điều này dẫn đến hai giới hạn về tín hiệu được truyền: - tín hiệu truyền đi phải không âm; - giá trị trung bình của tín hiệu truyền đi không được vượt quá giá trị cực đại của công suất phát. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 12
nguon tai.lieu . vn
Thạc sĩ - Tiến sĩ - Cao học Công nghệ thông tin Kinh tế - Thương mại Tài chính - Ngân hàng Kiến trúc - Xây dựng Điện-Điện tử-Viễn thông Cơ khí - Chế tạo máy Công nghệ - Môi trường Báo cáo khoa học Quản trị kinh doanh Khoa học xã hội Khoa học tự nhiên Nông - Lâm - Ngư Y khoa - Dược