Xem mẫu
- Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Những Ảnh Hưởng Của Thời Tiết Đối Với
Kết Nối Mạng Quang Vô Tuyến
Lê Quốc Cường, Sở Thông tin và Truyền thông TPHCM, email: cuonglequoc@gmail.com
Tăng Chí Kiệt, Học viện Công nghệ Bưu Chính Viễn thông (TPHCM), email: kiettc@gmail.com
Tóm tắt – Với những ưu điểm mang lại của hệ thống quang hiếm khi xảy ra đồng thời vì thế ta tiến hành nghiên cứu nó
vô tuyến thì quang vô tuyến (FSO) là mạng của kết nối trong riêng biệt [2].
tương lai. Tuy nhiên, quang vô tuyến bị ảnh hưởng rất lớn các Một giải pháp hiệu quả để giảm thiểu suy hao hiệu suất
yếu tố khách quan của các điều kiện khí quyển thường xuyên của hệ thống FSO là sử dụng các kỹ thuật chuyển tiếp hỗ trợ.
thay đổi dẫn đến làm suy hao hiệu suất kênh truyền. Do đó việc
Trong một kênh truyền đa bước nhảy, tổng đường truyền được
sử dụng nút chuyển tiếp là một trong những phương pháp hứa
hẹn nhất đế giảm thiểu suy hao của hiệu suất truyền trong mạng chia thành những khoảng cách nhỏ. Tại mỗi nút chuyển tiếp,
quang vô tuyến. Trong bài báo này, chúng ta xem xét một mạng các tín hiệu quang nhận được, xử lý và truyền sang nút kế tiếp.
FSO nhiều nút, các nút được phân phối tại các vị trí cố định trên Bằng cách đó, một mạng lưới nối tiếp có thể truyền tín hiệu
một đường truyền nhất định. Tôi tính đến các hiện tượng thời tiết đến những nơi khoảng cách xa [3]. Một mạng nối tiếp được
quan trọng nhất như là: sương mù, mưa và tuyết, và rút ra biểu cho là kết nối khi tồn tại một kết nối từ một nút đến một nút
thức giải tích xác suất nút cách ly. Tiếp theo, chúng ta tìm thấy số bất kỳ khác. Việc thiếu kết nối giữa ít nhất một cặp nguồn–
lượng trạm thu phát cho một chiều dài kết nối nhất định để đạt đích có nghĩa là mạng được cho là bị ngắt kết nối [4]. Một
được hiệu suất đáng tin cậy. Ngoài ra, tôi cũng xem xét các tham số quan trọng để mô tả kết nối là xác suất một nút bị
trường hợp ngược lại, nghĩa là, với một số lượng máy thu phát
cách ly, là xác suất mà một nút ngẫu nhiên không thể kết nối
nhất định ta có thể tìm được chiều dài kết nối nhất định để đạt
được hiệu suất đáng tin cậy. Các phân tích cũng cung cấp những với bất kỳ nút khác [5].
hiểu biết đáng kể vào những yếu tố chính làm giảm hiệu suất của Số lượng trạm chuyển tiếp
mạng FSO. Nó là một công cụ có giá trị cho các nhà nghiên cứu
viễn thông để thiết kế mạng lưới như vậy trong thực tế.
Từ khóa – Quang vô tuyến, xác suất cách ly nút, ảnh hưởng T 1 2 … n R
thời tiết, quỹ công suất đường truyền, mạng đa chặng.
1 2 3 N-1 N
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Quang vô tuyến (FSO) là một kỹ thuật rất hiệu quả cho
việc tiết kiệm chi phí và băng thông cao cho các dịch vụ băng Số lượng trạm
thông rộng qua mô hình kết nối điểm – điểm. Cách thức mà
Hình 1: Kiến trúc mạng
FSO hoạt động thì cũng khá giống như trong sợi quang. Tuy
Các đường kết nối trong kết nối mạng không dây đóng
nhiên, khi tín hiệu quang truyền qua môi trường không khí, thì
vai trò rất quan trọng vì khả năng mất kết nối trong mạng
suy hao đường truyền giữa máy phát và thu bị nâng lên do tác
không dây cao hơn nhiều so với các mạng hữu tuyến. Hiện
động các yếu tố trong môi trường không khí xuất hiện. Thời
nay, các công trình nghiên cứu về mạng quang vô tuyến rất
tiết, khoảng cách truyền, tán xạ, hấp thụ, sự nhiễu động, ảnh
hạn chế về các tài liệu kỹ thuật chi tiết, vì đây là lĩnh còn khá
hưởng pointing error, bước sóng truyền và tốc độ truyền là
mới. Đó là động lực cho tôi bắt đầu làm việc về chủ đề này, tôi
một trong các yếu tố xác định và ngẫu nhiên tác động đến hiệu
nhận thấy vấn đề kết nối chính là thách thức mạng lưới FSO
suất kênh truyền quang vô tuyến.
mà bị chủ yếu là từ các điều kiện thời tiết bất lợi.
Trong các yếu tố tác động trên thì các hiện tượng khí
tượng đóng vai trò rất quan trọng trong việc thiết kế, triển khai II. CÁC MÔ HÌNH GIẢ ĐỊNH
kết nối FSO. Sương mù, tuyết và mưa gây ra sự tán xạ của tín
A. Mô Hình Phân Bố Nút
hiệu quang trong khí quyển. Tán xạ làm cho một phần của
Một mô hình phân bố nút không gian là cần thiết để phù
chùm ánh sáng truyền từ một nguồn làm chệch hướng đi so
hợp với hiệu quả cấu trúc động của một mạng truyền thông
với phương truyền ban đầu. Một hiệu ứng khí quyển dưới điều
[8]. Đối với các hệ thống vô tuyến, mô hình xử lý điểm
kiện thời tiết cụ thể được gây ra bởi những thay đổi ngẫu
Poisson (Poisson point-process - PPP) là phổ biến nhất do tính
nhiên trong chiết suất khí quyển. Kết quả là có sự biến động
đơn giản của nó [6]. Mô hình PPP giả định một số lượng lớn
ngẫu nhiên và bức xạ (nhấp nháy) của các tín hiệu quang được
các máy thu phát phân tán ngẫu nhiên trên một khu vực phục
quan sát thấy tại máy thu [1]. Hơn nữa, các kết nối FSO còn
vụ giới hạn và giả định mật độ nút liên tục. Tuy nhiên, cách
phụ thuộc vào hiệu suất lỗi pointing error. Lỗi Pointing error
tiếp cận đó là không chính xác cho các mạng trong thực tế
xảy ra do sự không thẳng cơ học hoặc sai sót trong hệ thống.
thường bao gồm một số hữu hạn các nút thông tin. Vì lý do
Trong số tất cả các hiện tượng, sương mù mang lại những ảnh
đó, sự phát triển của một mô hình thực tế hơn trong đó giả
hưởng lớn nhất, nó được cấu thành từ các giọt nước nhỏ có
định một số các nút đã biết và cố định có phân bố độc lập
kích thước gần kích thước của bước sóng hồng ngoại. ngoài ra
trong một khu vực nhất định gần đây đã được đề xuất trong
mưa và tuyết cũng tác động đến hiệu suất FSO, mặc dù tác
[9]. Mô hình này, được gọi là xử lý điểm nhị thức (binomial
động của nó ít hơn của sương mù. Trong các yếu tố ảnh hưởng
point-process - BPP), cũng có thể tìm thấy ứng dụng cho
của các điều kiền thời tiết khác nhau thì các hiện tượng này
mạng một chiều FSO nơi các nút được đặt cách nhiều km.
ISBN: 978-604-67-0635-9 403
403
- Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Do đó chúng ta xem xét một kiến trúc mạng nối tiếp gồm Một nút trở nên bị cách ly khi nút kế đầu tiên của nó
n chuyển tiếp, tức là, N nút thu phát FSO phân bố đều trong vượt ra ngoài phạm vi kết nối ( R ); do đó, xác suất cách ly
một khoảng phục vụ theo một mô hình BPP (Hình 1). Khoảng nút, Piso , có thể suy ra:
cách giữa một nút và nút kế thứ k của nó tuân theo phân phối Piso Pr(r R )
1 Pr(r R )
beta tổng quát được cho bởi [11]: N 1
1 r
R N r
f Rk (r ) ( ; k , N k 1), (1) 1
1 l dr (5)
l l
0 l
N
ớǣ R
( x; a, b) biểu thị hàm mật độ beta. 1 ,
l
( x; a, b) (1/ B(a, b)) x a 1 (1 x)b 1
Từ phương trình trên, chúng ta có thể kết luận rằng xác
và hàm beta B(a, b) được xác định bởi: suất cách ly nút phụ thuộc với chiều dài nhất định (l), phụ
1 thuộc vào phạm vi truyền dẫn tối thiểu ( R ), và số lượng các
t
x 1
B
( x, y) (1 t ) y 1 dt nút ( N ).
0
Chứng minh: Phạm vi truyền dẫn tối thiểu đó liên quan trực tiếp đến sự
Xem xét mô hình xử lý điểm nhị phân (BPP) với N điểm xuất hiện của sương mù, khói mù, mưa, hoặc tuyết gây ra sự
phân bố ngẫu nhiên đều trong một quả cầu B có d chiều và hấp thụ và/hoặc tán xạ của các tín hiệu quang truyền đi. Theo
quan điểm trên, nghiên cứu này bắt nguồn từ số lượng các nút
tâm là O bán kính R Thể tích của quả cầu vd (W) là bằng
tối thiểu ( N ) điều đó là cần thiết để mạng hoạt động với xác
cd R d mà: suất cách ly nút tiến gần bằng không.
d B. Quỹ Công Suất Đường Truyền.
2
Trong những năm gần đây, những các nhà nghiên cứu đã
Cd , (2)
(1 d 2) nỗ lực để phát triển một mô hình kênh dự báo ảnh hưởng thời
Là thể tích đơn vị của quả cầu trong miền R d bao gồm các tiết trên truyền dẫn FSO [10]. Một mô hình khá hiệu quả cho
việc đánh giá quỹ công suất đường truyền được mô tả trong
trường hợp c2 và c3 4 .
c1 2,
3 [5] và cũng trong [11]. Theo mô hình này, công suất thu được
Mật độ của mô hình này là N (cd R d ) . biểu diễn theo phương trình truyền sóng như sau :
Hàm phân bố tích lũy bù (ccdf) của Rn là xác xuất có ít Ar
Pr Pt e .R , (6)
.R
2
nhất có n điểm nằm trong quả cầu Bd (O, r ) :
n 1
N với:
k p 1 p
N k
F Rn (r )
k
,0r R (3) Pr là công suất thu (Watt),
k 0
Pt là công suất phát (Watt),
r R
d d
Với p c
dr cd R d .
là chùm tia phân kì (rad),
F Rn viết lại với dạng đầy đủ như sau: R là khoảng cách truyền (m),
F Rn
(r ) I1 p ( N n 1, n), 0r R Ar là diện tích khẩu độ máy thu,
x e R là hàm mũ cơ số e của tích hệ số suy hao trong khí
I x ( a, b)
0
t a 1 (1 t )b 1 dt quyển và khoảng cách.
B ( a, b) Xem xét phương trình trên, các biến có thể được kiểm
soát được là : công suất phát, diện tích của khẩu độ máy thu,
Hàm pdf của khoảng cách là f Rn d F Rn / dr và ta có: sự phân kỳ chùm tia, và khoảng cách truyền. Trong đó, hệ số
d suy hao trong khí quyển là không kiểm soát được, phụ thuộc
f Rn (r ) - I1- p ( N - n 1, n) điều kiện môi trường bên ngoài và nó độc lập với khoảng
dr
N - n n -1 bước sóng trong điều kiện suy hao lớn. Nhận thấy rằng, công
d (1- p) (1- p) p suất thu được là phụ thuộc rất lớn vào hệ số suy hao trong khí
-
dr B( N - n 1, n) quyển và khoảng cách ; trong các tình huống điều kiện khí
dr
d -1
(1- p ) N - n p n -1 quyển thực tế, cho hệ thống mạng có yêu cầu độ sẳn sàng là
99,9% hoặc cao hơn, hệ suy hao quyết định mọi yếu tố (chiếm
R R B ( N - n 1, n) ưu thế) trong phương trình trên.
d (1- p ) N - n p n -1 d B.1 Độ suy hao tín hiệu trong không khí:
Kênh truyền suy hao khí quyển bao gồm hai hiện tượng
R B ( N - n 1, n)
hấp thụ và tán xạ. Nồng độ các chất trong khí quyển gây ra sự
d B n -1 d 1, N - n 1 r
d
1 suy hao tín hiệu theo thời gian và không gian khác nhau, và
; n 1, N n 1 ,
R B( N - n 1, n) phụ thuộc vào vị trí và điều kiện thời tiết hiện tại. Đối với kết
R d
nối FSO mặt đất việc truyền tải tín hiệu quang từ máy phát
(4)
đến máy thu thông qua bầu khí quyển ở một khoảng cách L
Vì 0 r R,
tuân theo định luật Beer-Lampert [7].
Với d 1 , ta có: P
1 r , L R e ( ) L , (7)
f Rn (r ) ; n, N n 1 PT
R R với y ( ) và ( , L) là hai hệ số đại diện cho tổng suy hao và
việc truyền tải tín hiệu quang thông qua bầu khí quyển ở bước
404
404
- Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
sóng tương ứng. Sự suy hao tín hiệu quang trong bầu khí k1 , k2 : là thông số mô hình phụ thuộc vào kích thước giọt
quyển bị gây ra bởi những thành phần phân tử khí và điều kiện mưa và nhiệt độ mưa.
thời tiết. Hệ số suy hao là tổng những hệ số hấp thụ và tán xạ từ Bảng 1. Các điều kiện mưa [14]
những thành phần phân tử và điều kiện thời tiết trong khí quyển. Lượng mưa Số lượng (mm/h)
( ) m ( ) a ( ) m ( ) a ( ), (8) Mưa ít 2.5
với m ( ), m ( ) là hai tham số biểu diễn cho sự hấp thụ bởi Mưa vừa 12.5
những phân tử và các hạt trong khí quyển. Mưa lớn 25
Hệ số suy giảm tạo nên từ sự hấp thụ và tán xạ các Mưa dông và nặng hạt 90
photon quang của các phân tử khí trong không khí. Vì các
bước sóng thường được lựa chọn để sử dụng (780nm, Các giá trị thông số k1 , k2 được sử dụng để ước lượng
850nm, 1550nm) nằm trong vùng cửa sổ truyền nên ảnh của sự suy giảm do mưa đã được khuyến nghị bởi ITU-R
hưởng hệ số hấp thụ nhỏ so với tổng suy hao. Do đó, ảnh P1814 [15].cụ thể:
hưởng của hệ số suy giảm do tán xạ đường truyền gây ra là Bảng 2: Các giá trị thông số suy hao do mưa
chủ yếu. Địa điểm k
B.2 Suy hao tín hiệu do sương mù: Japan 1.58 0.63
Sự suy giảm của tín hiệu quang ở khoảng cách R , do France 1.076 0.67
sương mù và khói mù, được xác định bởi định luật Beer- Trong mô phỏng phía sau, ta áp dụng các giá trị k1 =
Lambert [12]:
R 1.58, k 2 = 0.63, được dựa trên các số đo với R lên đến 90
Att fog e fog , (9)
mm/h.
với: B.4 Suy hao tín hiệu do tuyết:
Att fog : hệ số suy hao do sương mù trong khí quyển. Suy hao do tuyết được phân thành khô và ướt [16]. Tuyết
fog : hệ số suy hao trong điều kiện sương mù; ướt bị tan chảy một phần và dày đặc hơn trong khi tuyết khô ít
đậm đặc hơn và dễ dàng trôi theo gió. Sự suy hao cụ thể
R : khoảng cách truyền.
(dB/km) được cho bởi [15]:
Có một số mô hình cho phép để tính toán sự hấp thu ánh
sáng cụ thể cho các bước sóng quang học khác nhau dựa trên Attsnow b1S b2 , (13)
các dữ liệu tầm nhìn. Hai mô hình được sử dụng rộng rãi nhất với:
là mô hình Kruse và các mô hình Kim. Trong khuôn khổ bài Attsnow : hệ số suy hao trong điều kiện thời tiết tuyết,
luận này tôi xin giới thiệu mô hình của Kruse [13], được bởi S : là tỷ lệ tuyết rơi mm/h,
công thức sau: b1 , b2 : là hàm bước sóng.
q
3.912 Các giá trị của các thông số b1 , b2 đã được khuyến nghị
fog ( Km )
1
, (10)
V 0 bởi ITU-R P1814 [15] như sau:
với: Bảng 3: Các giả trị suy hao bởi tuyết
fog : hệ số suy hao trong điệu kiện sương mù, b1 b2
-5
V : tầm nhìn [km], Tuyết ướt 1.02 x 10 λ + 3.79 0.72
: bước sóng của tín hiệu truyền [nm], Tuyết khô 5.42 x 10-5 λ + 5.50 1.38
0 : bước sóng chuẩn,
C. Phạm Vi Truyền Dẫn Tối Thiểu:
q : hệ số phân bố kích thước tán xạ được xác định theo
Phạm vi truyền dẫn đạt được tối thiểu của mỗi máy thu
mô hình Kruse. phát phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết trên các đường
Kết quả của công trình nghiên cứu và kiểm chứng thực truyền FSO. Nó có thể dễ dàng thu được bằng cách thế
nghiệm cho thất giá trị hệ số q được tính toán theo độ phân bố phương trình (9), phương trình (12), hoặc phương trình (13)
kích thước hạt và tầm nhìn (theo mô hình của Kruse) [13]: vào phương trình (6) và tính được R như sau:
1.6 if V 50 Km fog Pt Ar
10W0
q 1.3 if 6 Km V 50 Km, 2 Pr
(11)
R fog , (14)
0.585*V if V 6 Km
13
fog
Giá trị q tăng dần theo khoảng cách nhìn. Sương mù xuất
ln z1 Pt Ar
hiện khi tầm nhìn ít hơn 1 km. Mặt khác, khói mù xuất hiện 10W0
2 Pr
khi tầm nhìn dao động từ 2 km đến 5 km [14]. ,
Rrain (15)
B.3 Suy hao tín hiệu do mưa: ln z1
Giọt nước mưa có kích thước đủ lớn cũng gây ra phản xạ
và khúc xạ của tín hiệu quang học. Suy hao cụ thể (đơn vị ln z2 Pt Ar
10W0
dB/km) cho bởi [15]: 2 Pr
Rrain , (16)
Attrain k1 Rk2 , (12) ln z2
trong đó: k2 b2
với z1 10k1R và z2 10b1S .
Attrain : hệ số suy hao do mưa trong khí quyển,
Trong các phương trình trên, W0(.) biểu thị nhánh giá trị
R : là tỷ lệ mưa (mm/h) (xem bảng I),
thực chính của hàm Lambert W. Ta cũng có thể tính được biểu
405
405
- Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
thức giải tích xác suất cách ly nút (phương trình 5) bằng cách D. Tình Huống 1: Tìm Số Lượng Nút Chuyển Tiếp Cho Một
thay thế biến R được cho bởi các phương trình (14) - (16). Kênh Truyền Có Chiều Dài Xác Định.
Hình 2 là hình ảnh tác động của sương mù lên xác suất
III. MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN cách ly nút với các giá trị của tầm nhìn V, giả sử l = 50 km.
Trong chương này, các kết quả mô phỏng và lý thuyết sẽ Lúc đầu, ta nhận thấy khi V tăng, số lượng các nút cần thiết
được vẽ để kiểm chứng lẫn nhau và cũng để so sánh hiệu năng được giảm đáng kể, trong đó khi V có giá trị lớn thì tương
của các phương pháp khảo sát. Để tiến hành mô phỏng và ứng với điều kiện khí quyển rõ ràng hơn.
khảo sát tôi sử dụng các thông số mô hình, được đưa ra trong
Bảng 4 và được giữ không đổi nếu không có chú thích thêm.
Bảng 4: Các thông số mô hình hệ thống
Tham số Giá trị
Bước sóng 780 nm
Bước sóng tiêu chuẩn 550 nm
Công suất phát 80 mW
Độ phân kì bước sóng 5 mrad
Độ nhạy đầu thu 2 µW
Khoảng cách truyền 50 km
A. Kết Quả Mô Phỏng:
Mô phỏng Monte Carlo sẽ được thực hiện bằng Matlab
để kiểm chứng các kết quả tính toán trong phần II. Trên hình
vẽ, các kết quả mô phỏng sẽ được ký hiệu bằng các hình tròn
và được chú thích bằng chữ MP. Trong mỗi mô phỏng, 105
phép thử sẽ được thực hiện và kết quả sẽ là giá trị trung bình Hình 2: Xác suất cách ly nút so với số lượng nút trong
trên tổng số phép thử đó. điều kiện thời tiết sương mù.
B. Kết Quả Lý Thuyết. Chi tiết hơn khi tăng tầm nhìn với hệ số bằng bốn (từ
Kết quả lý thuyết sẽ được vẽ bằng các công thức (5; 14, sương mù dày đặc với V = 50 m đến sương mù dày với V =
15, 16) đã được dẫn ra trong phần II và sẽ được thể hiện vẽ 200 m) thì số lượng các nút cần thiết giảm khoảng 3,5 lần để
bằng các đường thẳng liền và ký hiệu bằng chữ LT. đạt được Piso = 10-3. Với việc tầm nhìn tăng từ 200m đến
500m thì số lượng nút này tiếp tục giảm theo hệ số 2. Như
C. Giải thuật mô phỏng: vậy, sương mù có tác động rất lớn đến hiệu quả của kênh
truyền và ảnh hưởng rất đến việc giảm số lượng các nút cần
Bắt đầu
thiết, như là khi cải thiện tầm nhìn từ V = 50 m đến V = 5 km
để làm giảm số lượng các nút giảm hơn 30 lần (từ 500 còn
Nhập các thông số đầu vào: công suất phát, thu; 15).
phân kỳ tia; điều kiện thời tiết; khoảng cách Ngoài ra, sự lựa chọn của các bước sóng truyền cũng là
một vấn đề quan trọng. Trong thực tế, các bước sóng truyền
truyền, bước sóng truyền;
thường gặp có 3 bước sóng truyền bước sóng 780 nm, 950 nm
và 1550 nm. Sự lựa chọn 3 bước sóng trên là vì các thành
phần quang học về phương diện thương mại đã được xác định
Tính toán các tham số suy hao trên kênh truyền vô
và được xây dựng để hoạt động ở những bước sóng nhất định
tuyến trong các điều kiện thời tiết khác nhau.
theo thông số kỹ thuật được sử dụng trong truyền thông cáp
quang. Nói chung, các bước sóng dài hơn nhiều khả năng bị
ảnh hưởng của tán xạ nhiều hơn [17].
Tính toán khoảng cách tối thiểu trên kênh truyền
Hình 3 thể hiện sự ảnh hưởng điều kiện thời tiết sương
vô tuyến trong các điều kiện thời tiết khác nhau.
mù (tầm nhìn V =2km và V =200m) cũng như khả năng cách
ly nút cho các bước sóng đặc trưng (λ) với khoảng cách
truyền l = 50. Ở đây, ta nhận thấy rằng số lượng các nút cần
Mối liên hệ khoảng cách tối thiểu với xác suất thiết để đạt được Piso = 10-3 tăng theo hệ số hai cho tầm nhìn
cách ly nút, số lượng nút, khoảng cách truyền
N
V = 200m và V =2 km với bước sóng hoạt động giảm từ
R 1550 nm đến 780 nm, do đó, khẳng định rằng bước sóng
Piso 1 truyền 1550 nm sẽ bị ảnh hưởng của điều kiện thời tiết sương
l
mù nhiều hơn hai bước sóng còn lại.
Tác động điều kiện thời tiết mưa đến khả năng cách ly và
số lượng nút được mô tả trong Hình 4. Để đảm bảo xác xuất
cách ly nút 103 , ta nhận thấy với cư ly truyền là 50 km, sự gia
Tính toán xác suất cách ly của nút. tăng cường độ mưa từ mưa ít R =2.5 mm/h ( 35 nút) đến
Vẽ mối liên hệ xác xuất cách ly với số lượng nút. mưa lớn R =5 mm/h ( 80 nút) tăng đáng kể số lượng các nút
Rút ra mối quan hệ giữa xác suất cách ly với số được yêu cầu theo hệ số 2. Khi các điều kiện mưa tồi tệ hơn
lượng nút, khoảng cách truyền. R = 12.5 mm/h ( 120 nút), hệ số này làm tăng thêm đến 3.
Một lượng mưa cực lớn R >90 mm/h đòi hỏi triển khai nút (
250 nút) mật độ cao.
406
406
- Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
ràng, trong điều kiện thời tiết tuyết ướt sẽ tăng sự tác động hấp
thu tín hiệu quang so với điều kiện tuyết khô. Quan sát này ta
cũng có thể được rút ra bằng cách so sánh hai đường cong cho
một tỷ lệ tuyết rơi cụ thể. Chính xác hơn, khi tại S = 2 mm/h,
thì số lượng các nút tăng gấp 2 với điều kiện tuyết ướt để đạt
Piso =10-3, trong khi với S = 5 mm/h tỷ lệ này tăng gấp ba lần.
E. Tình Huống 2: Tìm Khoảng Cách Kênh Truyền Với Số
Lượng Nút Chuyển Tiếp Xác Định.
Trong tình huống thứ hai này, ta xem xét một số máy thu
phát cố định N và tìm kiếm chiều dài mạng yêu cầu l để đạt
được Piso trong trường hợp 103 . Tình huống này có thể cung
cấp thông tin cho các nhà khai thác mạng làm thế nào để từng
bước triển khai mạng lưới của họ trong một khu vực địa lý có
tính đến điều kiện khí tượng hàng năm. Trong trường hợp
sương mù dày đặc trong một thời gian dài, việc triển khai một
mạng lưới FSO là không có lợi vì chỉ bao phủ được có một vài
Hình 3: Xác suất cách ly nút với số lượng nút trong thời tiết km. Nhưng trong điều kiện sương mù và mưa trung bình là
sương mù tầm nhìn 2km và 200m với 3 bước sóng
chấp nhận được và một khoảng thời gian phục vụ đáng kể có
(750,950,1550).
thể được bao phủ thậm chí với 10 máy thu phát. Ví dụ, với
Vì vậy cường độ mưa rất quan trọng để thu thập các dữ
liệu tỷ lệ lượng mưa trong khoảng thời gian khác nhau trong Piso 103 , 10 nút chuyển tiếp và V 500m hoặc
năm để đạt được một sự cân bằng giữa các mạng có sẵn và số R 12.5 mm h , khoảng cách truyền có thể bao phủ 8 km. Như
lượng các nút cần thiết để đạt được giá trị Piso thấp. đã nhấn mạnh trước đây, tuyết ướt là một yếu tố làm suy giảm
chủ yếu, ví dụ khoảng cách truyền giảm đi một nửa tại tốc độ
tuyết rơi ướt 2 mm/h so với tốc độ tuyết khô.
Trong điều kiên để đạt được xác xuất cách ly nút 10-3 và
10 nút chuyển tiếp thì trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt nhất
(Bảng 5) ta có thể truyền được gần 1.5km, ngược lại với điều
kiện thời tiết thuận lợi tầm nhìn lớn hơn 5km thì cự ly truyền
được mở rộng rất nhiều (40km).
Bảng 5: Khoảng cách truyền với xác suất cách ly nút Piso 103
Số lượng
Điều kiện Hệ số trạm thu phát
thời tiết thời tiết
N=10 N=20 N=50
V=0.05 1.83 3.28 7.67
V=0.2 5.62 10.1 23.56
Sương mù
Hình 4: Xác suất cách ly nút so với số lượng nút trong
(hệ số V=0.5 11.4 20.4 47.72
điều kiện thời tiết mưa.
thời tiết là
tầm hình V=1 18.9 34 79.43
Km) V=2 30.7 55.1 128.9
V=5 55.6 99.8 233.2
Mưa (hệ R=2.5 26.1 46.1 109.6
số thời
tiết là R=12.5 10.8 19.4 45.38
lượng R=25 7.37 13.2 30.91
mưa
mm/h) R=90 3.39 6.9 14.24
Su=1 23.2 41.7 97.44
Tuyết ướt
Su=2 11.9 21.4 49.92
(mm/h)
Su=5 3.25 5.82 13.61
Sk=1 32.3 57.9 135.4
Hình 5: Xác suất cách ly nút so với số lượng các nút và điều
Tuyết khô
kiện thời tiết tuyết khô (đường nét đứt) và tuyết ướt (đường Sk=2 20.9 37.5 87.66
(mm/h)
liên tục).
Sk=5 11 19.7 46.03
Cuối cùng, Hình 5 mô tả tác động của tuyết với các giá
trị khác nhau của tốc độ tuyết rơi, giả sử với l = 50 km. Rõ
407
407
- Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
IV. KẾT LUẬN
Trong bài báo này, tôi tập trung vào nghiên cứu xác suất
cách ly của nút trong mạng FSO nối tiếp đặt trong mô hình kết
nối nhị thức điểm một chiều BPP. Tôi sử dụng mô hình suy
hao trên đường truyền và xét đến các hiện tượng thời tiết quan
trọng như: sương mù, mưa, tuyết. Các tình huống đưa ra để
trình bày nhằm cho thấy rõ số lượng các nút, chiều dài của
đường truyền và các điều kiện thời tiết khác nhau để đạt được
Piso ≈0. Tức là trong trường hợp thời tiết xấu nhất (tầm nhìn
50m) thì để đảm bảo kết nối Piso=10-3 thì các nhà mạng cần
10 cho khoảng cách truyền 1.35 km. (Bảng 5). Ta có thể phát
triển tiếp các vấn đề trên theo các hướng khác như là: sử dụng
mô hình suy hao khác, xem xét các định dạng điều chế khác,
kết hợp tính toán với các tham số pointing error,…Đây là
những hướng phát triển rất quan trọng và cần thiết vì truyền
thông quang vô tuyến ngày này đang ngày càng được quan
tâm hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] S. Arnon, J. Barry, G. Karagiannidis, R. Schober, and M. Uysal, Eds
(2012), Advanced Optical Wireless Communication Systems,
Cambridge University.
[2] S. Bloom, E. Korevaar, J. Schuster, and H. Willebrand (June 2003),
“Under-standing the performance of free-space optics” Journal of
Optical Networking, Vol. 2, Issue 6, pp. 178-200.
[3] G. K. Karagiannidis, T. A. Tsiftsis, and H. G. Sandalidis (Aug 2006),
“Outage probability of relayed free space optical communication
systems,” Electron Letters, vol. 42, no. 17, pp. 994–995.
[4] B. Bollobas (2001), Random Graphs, 2nd edition, Cambridge University.
[5] C. Bettstetter, J. Klinglmayr, and S. Lettner (May 2010), “On the degree
distribution of k-connected random networks” in IEEE Proc. of ICC, pp.
1–6.
[6] G. Mao and B. Anderson (Apr 2011), “On the asymptotic connectivity of
random networks under the random connection model” in IEEE Proc.
of INFOCOM, pp. 631–639.
[7] Al Naboulsi, M., Sizun H, de Fornel F, “Propagation of optical and
infrared waves in the atmosphere” in Université de Bourgogne. 9
Avenue Alain Savary, France.
[8] D. Stoyan, W. S. Kendall, and J. Mecke (2008), Stochastic Geometry and
Its Applications, 2nd edition Wiley.
[9] S. Srinivasa and M. Haenggi (Fed 2010), “Distance distributions in finite
uniformly random networks: theory and applications,” in IEEE
Transaction, Vehicular Technology, vol. 59, no. 2, pp. 940–949.
[10] S. S. Muhammad, P. Kohldorfer, and E. Leitgeb (July 2005), “Channel
mod-eling for terrestrial free space optical links,” in IEEE Proceeding
of International Conference, Vol. 1, pp. 407–410.
[11] T. Kamalakis, I. Neokosmidis, A. Tsipouras, S. Pantazis, and I.
Andrikopoulos (Sept 2007), “Hybrid free space optical/millimeter wave
outdoor links for broadband wireless access networks,” in IEEE
Proceeding of PIMRC, pp. 1–5.
[12] F. Nadeem, V. Kvicera, M. S. Awan, E. Leitgeb, S. Muhammad, and G.
Kandus (Dec 2009), “Weather effects on hybrid FSO/RF
communication link” IEEE Journal on Select Areas Communication,
vol. 27, no. 9, pp. 1687–1697.
[13 P. W. Kruse, L. D. McGlauchlin, and R. B. McQuistan (1962), Elements
of Infrared Technology: Generation, Transmission and Detection,
Wiley.
[14] I. Kim, B. McArthur, and E. Korevaar (July 2001), “Comparison of laser
beam propagation at 785 and 1550 nm in fog and haze for optical
wireless communications” Proc. SPIE, Optical Wireless
Communication III, vol. 4214, pp. 26–37.
[15] ITU recommendation ITU-R P.1814, “Prediction methods required for
the design fo terrestrial free space optical link”.
[16] M. S. Awan, P. Brandl, E. Leitgeb, F. Nadeem, T. Plank, and C. Capsoni
(June 2009), “Results of an optical wireless ground link experiment in
continental fog and dry snow conditions” in Proc. Of ConTEL, pp. 45–
49.
[17] F. Nadeem, E. Leitgeb, M. S. Awan, and G. Kandus, (Sept 2009 ),
“Optical wavelengths comparison for different weather conditions,” in
Proc. of IWSSC, pp. 279–283.
408
408
nguon tai.lieu . vn
