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 thơng TPHCM, email:
Tăng Chí Kiệt, Học viện Cơng nghệ Bưu Chính Viễn thơng (TPHCM), email:
Tóm tắt – Với những ưu điểm mang lại của hệ thống quang
vơ tuyến thì quang vơ tuyến (FSO) là mạng của kết nối trong
tương lai. Tuy nhiên, quang vô tuyến bị ảnh hưởng rất lớn các
yếu tố khách quan của các điều kiện khí quyển thường xuyên
thay đổi dẫn đến làm suy hao hiệu suất kênh truyền. Do đó việc
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
quang vô tuyến. Trong bài báo này, chúng ta xem xét một mạng
FSO nhiều nút, các nút được phân phối tại các vị trí cố định trên
một đường truyền nhất định. Tơi tính đến các hiện tượng thời tiết
quan trọng nhất như là: sương mù, mưa và tuyết, và rút ra biểu
thức giải tích xác suất nút cách ly. Tiếp theo, chúng ta tìm thấy số
lượng trạm thu phát cho một chiều dài kết nối nhất định để đạt
được hiệu suất đáng tin cậy. Ngồi ra, tơi cũng xem xét các
trường hợp ngược lại, nghĩa là, với một số lượng máy thu phát
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
hiểu biết đáng kể vào những yếu tố chính làm giảm hiệu suất của
mạng FSO. Nó là một cơng cụ có giá trị cho các nhà nghiên cứu
viễn thông để thiết kế mạng lưới như vậy trong thực tế.

hiếm khi xảy ra đồng thời vì thế ta tiến hành nghiên cứu nó
riêng biệt [2].

Một giải pháp hiệu quả để giảm thiểu suy hao hiệu suất
của hệ thống FSO là sử dụng các kỹ thuật chuyển tiếp hỗ trợ.
Trong một kênh truyền đa bước nhảy, tổng đường truyền được
chia thành những khoảng cách nhỏ. Tại mỗi nút chuyển tiếp,
các tín hiệu quang nhận được, xử lý và truyền sang nút kế tiếp.
Bằng cách đó, một mạng lưới nối tiếp có thể truyền tín hiệu
đến những nơi khoảng cách xa [3]. Một mạng nối tiếp được
cho là kết nối khi tồn tại một kết nối từ một nút đến một nút
bất kỳ khác. Việc thiếu kết nối giữa ít nhất một cặp nguồn–
đích có nghĩa là mạng được cho là bị ngắt kết nối [4]. Một
tham số quan trọng để mô tả kết nối là xác suất một nút bị
cách ly, là xác suất mà một nút ngẫu nhiên không thể kết nối
với bất kỳ nút khác [5].
Số lượng trạm chuyển tiếp

Từ khóa – Quang vô tuyến, xác suất cách ly nút, ảnh hưởng
thời tiết, quỹ công suất đường truyền, mạng đa chặng.

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
thông rộng qua mô hình kết nối điểm – điểm. Cách thức mà
FSO hoạt động thì cũng khá giống như trong sợi quang. Tuy
nhiên, khi tín hiệu quang truyền qua mơi trường khơng khí, thì
suy hao đường truyền giữa máy phát và thu bị nâng lên do tác
động các yếu tố trong môi trường khơng khí xuất hiện. Thời
tiết, khoảng cách truyền, tán xạ, hấp thụ, sự nhiễu động, ảnh
hưởng pointing error, bước sóng truyền và tốc độ truyền là
một trong các yếu tố xác định và ngẫu nhiên tác động đến hiệu
suất kênh truyền quang vô tuyến.

Trong các yếu tố tác động trên thì các hiện tượng khí
tượng đóng vai trị rất quan trọng trong việc thiết kế, triển khai
kết nối FSO. Sương mù, tuyết và mưa gây ra sự tán xạ của tín
hiệu quang trong khí quyển. Tán xạ làm cho một phần của
chùm ánh sáng truyền từ một nguồn làm chệch hướng đi so
với phương truyền ban đầu. Một hiệu ứng khí quyển dưới điều
kiện thời tiết cụ thể được gây ra bởi những thay đổi ngẫu
nhiên trong chiết suất khí quyển. Kết quả là có sự biến động
ngẫu nhiên và bức xạ (nhấp nháy) của các tín hiệu quang được
quan sát thấy tại máy thu [1]. Hơn nữa, các kết nối FSO còn
phụ thuộc vào hiệu suất lỗi pointing error. Lỗi Pointing error
xảy ra do sự không thẳng cơ học hoặc sai sót trong hệ thống.
Trong số tất cả các hiện tượng, sương mù mang lại những ảnh
hưởng lớn nhất, nó được cấu thành từ các giọt nước nhỏ có
kích thước gần kích thước của bước sóng hồng ngoại. ngồi ra
mưa và tuyết cũng tác động đến hiệu suất FSO, mặc dù tác
động của nó ít hơn của sương mù. Trong các yếu tố ảnh hưởng
của các điều kiền thời tiết khác nhau thì các hiện tượng này

ISBN: 978-604-67-0635-9

T

1

2

1

2


3

…

n

R

N-1

N

Số lượng trạm
Hình 1: Kiến trúc mạng
Các đường kết nối trong kết nối mạng khơng dây đóng
vai trị rất quan trọng vì khả năng mất kết nối trong mạng
không dây cao hơn nhiều so với các mạng hữu tuyến. Hiện
nay, các công trình nghiên cứu về mạng quang vơ tuyến rất
hạn chế về các tài liệu kỹ thuật chi tiết, vì đây là lĩnh cịn khá
mới. Đó là động lực cho tơi bắt đầu làm việc về chủ đề này, tôi
nhận thấy vấn đề kết nối chính là thách thức mạng lưới FSO
mà bị chủ yếu là từ các điều kiện thời tiết bất lợi.
II. CÁC MƠ HÌNH GIẢ ĐỊNH
A.

Mơ Hình Phân Bố Nút
Một mơ hình phân bố nút khơng gian là cần thiết để phù
hợp với hiệu quả cấu trúc động của một mạng truyền thông
[8]. Đối với các hệ thống vơ tuyến, mơ hình xử lý điểm

Poisson (Poisson point-process - PPP) là phổ biến nhất do tính
đơn giản của nó [6]. Mơ hình PPP giả định một số lượng lớn
các máy thu phát phân tán ngẫu nhiên trên một khu vực phục
vụ giới hạn và giả định mật độ nút liên tục. Tuy nhiên, cách
tiếp cận đó là khơng chính xác cho các mạng trong thực tế
thường bao gồm một số hữu hạn các nút thơng tin. Vì lý do
đó, sự phát triển của một mơ hình thực tế hơn trong đó giả
định một số các nút đã biết và cố định có phân bố độc lập
trong một khu vực nhất định gần đây đã được đề xuất trong
[9]. Mô hình này, được gọi là xử lý điểm nhị thức (binomial
point-process - BPP), cũng có thể tìm thấy ứng dụng cho
mạng một chiều FSO nơi các nút được đặt cách nhiều km.

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
n chuyển tiếp, tức là, N nút thu phát FSO phân bố đều trong
một khoảng phục vụ theo một mơ hình BPP (Hình 1). Khoảng
cách giữa một nút và nút kế thứ k của nó tuân theo phân phối
beta tổng quát được cho bởi [11]:
1 r
(1)

 ( ; k , N  k  1),
f Rk (r )

l l
˜ớ‹ǣ
 ( x; a, b) biểu thị hàm mật độ beta.


 ( x; a, b) (1/ B(a, b)) x a 1 (1  x)b 1
và hàm beta B(a, b) được xác định bởi:
1

t

B
( x, y)

x 1

0

(1  t ) y 1 dt

Chứng minh:
Xem xét mơ hình xử lý điểm nhị phân (BPP) với N điểm
phân bố ngẫu nhiên đều trong một quả cầu B có d chiều và
tâm là O bán kính R Thể tích của quả cầu vd (W) là bằng

cd R d mà:
Cd 




d

2

(1  d 2)

(2)

,

Là thể tích đơn vị của quả cầu trong miền R d bao gồm các
trường hợp
c1 2,
c2  và c3  4 .
3
Mật độ của mơ hình này là N (cd R d ) .
Hàm phân bố tích lũy bù (ccdf) của Rn là xác xuất có ít
nhất có n điểm nằm trong quả cầu Bd (O, r ) :


F Rn (r )

n 1

N

k 0




  k  p 1  p 

d
Với p c

cd R d
dr

k

N k



r R

d

,0r  R

(3)

Một nút trở nên bị cách ly khi nút kế đầu tiên của nó
vượt ra ngồi phạm vi kết nối ( R ); do đó, xác suất cách ly
nút, Piso , có thể suy ra:

Piso 
Pr(r  R ) 
1 Pr(r  R )
R



1 
0

I x ( a, b) 



0

0r R

t a 1 (1  t )b 1 dt
B ( a, b)

Hàm pdf của khoảng cách là f Rn  d F Rn / dr và ta có:

d
I1- p ( N - n  1, n)
dr
N - n n -1
 d (1- p)  (1- p) p
 -

 dr  B( N - n  1, n)


f Rn (r ) -




d -1

(1- p ) N - n p n -1
B ( N - n  1, n)



dr
R  R 



d (1- p ) N - n p n -1 d
R B ( N - n  1, n)

d

d B  n -1 d  1, N - n  1   r 
1
    ; n   1, N  n  1 ,


R
B( N - n  1, n)
d
 R 



Vì 0  r  R,
Với d  1 , ta có:
1 r

f Rn (r )    ; n, N  n  1
R R


(4)

N 1

dr

(5)

N

với:

F Rn viết lại với dạng đầy đủ như sau:
x

 r
1  l 



 R
 1   ,

l 

Từ phương trình trên, chúng ta có thể kết luận rằng xác
suất cách ly nút phụ thuộc với chiều dài nhất định (l), phụ
thuộc vào phạm vi truyền dẫn tối thiểu ( R ), và số lượng các
nút ( N ).
Phạm vi truyền dẫn tối thiểu đó liên quan trực tiếp đến sự
xuất hiện của sương mù, khói mù, mưa, hoặc tuyết gây ra sự
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
tối thiểu ( N ) điều đó là cần thiết để mạng hoạt động với xác
suất cách ly nút tiến gần bằng không.
B. Quỹ Công Suất Đường Truyền.
Trong những năm gần đây, những các nhà nghiên cứu đã
nỗ lực để phát triển một mơ hình kênh dự báo ảnh hưởng thời
tiết trên truyền dẫn FSO [10]. Một mơ hình khá hiệu quả cho
việc đánh giá quỹ công suất đường truyền được mơ tả trong
[5] và cũng trong [11]. Theo mơ hình này, cơng suất thu được
biểu diễn theo phương trình truyền sóng như sau :
Ar
Pr  Pt
e .R ,
(6)
2
 .R 

.

F Rn
(r ) I1 p ( N  n  1, n),


N
l

Pr
Pt

R
Ar

là công suất thu (Watt),
là công suất phát (Watt),
là chùm tia phân kì (rad),
là khoảng cách truyền (m),
là diện tích khẩu độ máy thu,

e R là hàm mũ cơ số e của tích hệ số suy hao trong khí
quyển và khoảng cách.
Xem xét phương trình trên, các biến có thể được kiểm
sốt được là : cơng suất phát, diện tích của khẩu độ máy thu,
sự phân kỳ chùm tia, và khoảng cách truyền. Trong đó, hệ số
suy hao trong khí quyển là khơng kiểm sốt được, phụ thuộc
điều kiện mơi trường bên ngồi và nó độc lập với khoảng
bước sóng trong điều kiện suy hao lớn. Nhận thấy rằng, công
suất thu được là phụ thuộc rất lớn vào hệ số suy hao trong khí
quyển và khoảng cách ; trong các tình huống điều kiện khí
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
ưu thế) trong phương trình trên.
B.1 Độ suy hao tín hiệu trong khơng khí:

Kênh truyền suy hao khí quyển bao gồm hai hiện tượng
hấp thụ và tán xạ. Nồng độ các chất trong khí quyển gây ra sự
suy hao tín hiệu theo thời gian và không gian khác nhau, và
phụ thuộc vào vị trí và điều kiện thời 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 L
tuân theo định luật Beer-Lampert [7].
P
   , L   R e (  ) L ,
(7)
PT

với y ( ) và  ( , L) là hai hệ số đại diện cho tổng suy hao và
việc truyền tải tín hiệu quang thơng 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
quyển bị gây ra bởi những thành phần phân tử khí và điều kiện
thời tiết. Hệ số suy hao là tổng những hệ số hấp thụ và tán xạ từ
những thành phần phân tử và điều kiện thời tiết trong khí quyển.
(8)
 ( )  m ( )  a ( )  m ( )  a ( ),

k1 , k2 : là thông số mơ hình phụ thuộc vào kích thước giọt

mưa và nhiệt độ mưa.
Bảng 1. Các điều kiện mưa [14]
Lượng mưa
Số lượng (mm/h)
Mưa ít
2.5
Mưa vừa
12.5
Mưa lớn
25
Mưa dơng và nặng hạt
90

với  m ( ),  m ( ) là hai tham số biểu diễn cho sự hấp thụ bởi
những phân tử và các hạt trong khí quyển.
Hệ số suy giảm tạo nên từ sự hấp thụ và tán xạ các
photon quang của các phân tử khí trong khơng khí. Vì các
bước sóng thường được lựa chọn để sử dụng (780nm,
850nm, 1550nm) nằm trong vùng cửa sổ truyền nên ảnh
hưởng hệ số hấp thụ nhỏ so với tổng suy hao. Do đó, ảnh
hưởng của hệ số suy giảm do tán xạ đường truyền gây ra là
chủ yếu.
B.2 Suy hao tín hiệu do sương mù:
Sự suy giảm của tín hiệu quang ở khoảng cách R , do
sương mù và khói mù, được xác định bởi định luật BeerLambert [12]:
 R
Att fog  e fog ,
(9)
với:


Các giá trị thông số k1 , k2 được sử dụng để ước lượng
của sự suy giảm do mưa đã được khuyến nghị bởi ITU-R
P1814 [15].cụ thể:
Bảng 2: Các giá trị thông số suy hao do mưa

Địa điểm
k
Japan
1.58
0.63
France
1.076
0.67
Trong mô phỏng phía sau, ta áp dụng các giá trị k1 =
1.58, k 2 = 0.63, được dựa trên các số đo với R lên đến 90
mm/h.
B.4 Suy hao tín hiệu do tuyết:
Suy hao do tuyết được phân thành khô và ướt [16]. Tuyết
ướt bị tan chảy một phần và dày đặc hơn trong khi tuyết khơ ít
đậm đặc hơn và dễ dàng trơi theo gió. Sự suy hao cụ thể
(dB/km) được cho bởi [15]:
(13)
Attsnow  b1S b2 ,
với:
Attsnow : hệ số suy hao trong điều kiện thời tiết tuyết,
S : là tỷ lệ tuyết rơi mm/h,
b1 , b2 : là hàm bước sóng.
Các giá trị của các thơng số b1 , b2 đã được khuyến nghị
bởi ITU-R P1814 [15] như sau:
Bảng 3: Các giả trị suy hao bởi tuyết

b1
b2
-5
Tuyết ướt
0.72
1.02 x 10 λ + 3.79
Tuyết khô
1.38
5.42 x 10-5 λ + 5.50

Att fog : hệ số suy hao do sương mù trong khí quyển.

 fog : hệ số suy hao trong điều kiện sương mù;
R : khoảng cách truyền.
Có một số mơ hình cho phép để tính tốn sự hấp thu ánh
sáng cụ thể cho các bước sóng quang học khác nhau dựa trên
các dữ liệu tầm nhìn. Hai mơ hình được sử dụng rộng rãi nhất
là mơ hình Kruse và các mơ hình Kim. Trong khn khổ bài
luận này tơi xin giới thiệu mơ hình của Kruse [13], được bởi
cơng thức sau:
q

3.912   
 fog ( Km ) 
  ,
V  0 
1

với:


(10)

 fog : hệ số suy hao trong điệu kiện sương mù,
V : tầm nhìn [km],
 : bước sóng của tín hiệu truyền [nm],
0 : bước sóng chuẩn,
q : hệ số phân bố kích thước tán xạ được xác định theo
mơ hình Kruse.
Kết quả của cơng trình nghiên cứu và kiểm chứng thực
nghiệm cho thất giá trị hệ số q được tính tốn theo độ phân bố
kích thước hạt và tầm nhìn (theo mơ hình của Kruse) [13]:
1.6
if V  50 Km

q  1.3
if 6 Km  V  50 Km,
(11)

13
0.585*V if V  6 Km

C.

Phạm Vi Truyền Dẫn Tối Thiểu:
Phạm vi truyền dẫn đạt được tối thiểu của mỗi máy thu
phát phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết trên các đường
truyền FSO. Nó có thể dễ dàng thu được bằng cách thế
phương trình (9), phương trình (12), hoặc phương trình (13)
vào phương trình (6) và tính được R như sau:
  fog Pt Ar 

10W0 

 2
Pr 

(14)
,
R fog 

 fog

Giá trị q tăng dần theo khoảng cách nhìn. Sương mù xuất
hiện khi tầm nhìn ít hơn 1 km. Mặt khác, khói mù xuất hiện
khi tầm nhìn dao động từ 2 km đến 5 km [14].
B.3 Suy hao tín hiệu do mưa:
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
dB/km) cho bởi [15]:
Attrain  k1 Rk2 ,
(12)
trong đó:
Attrain : hệ số suy hao do mưa trong khí quyển,
R : là tỷ lệ mưa (mm/h) (xem bảng I),

Rrain

Rrain
k2

 ln z1 Pt Ar

10W0 
 2
Pr


ln z1



,

(15)

 ln z2 Pt Ar
10W0 
 2
Pr


ln z2



,

(16)

b2

với z1  10k1R và z2  10b1S .

Trong các phương trình trên, W0(.) biểu thị nhánh giá trị
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)
D. Tình Huống 1: Tìm Số Lượng Nút Chuyển Tiếp Cho Một
Kênh Truyền Có Chiều Dài Xác Định.
Hình 2 là hình ảnh tác động của sương mù lên xác suất
cách ly nút với các giá trị của tầm nhìn V, giả sử l = 50 km.
Lúc đầu, ta nhận thấy khi V tăng, số lượng các nút cần thiết
được giảm đáng kể, trong đó khi V có giá trị lớn thì tương
ứng với điều kiện khí quyển rõ ràng hơn.

thức giải tích xác suất cách ly nút (phương trình 5) bằng cách
thay thế biến R được cho bởi các phương trình (14) - (16).
III. MƠ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN
Trong chương này, các kết quả mô phỏng và lý thuyết sẽ
được vẽ để kiểm chứng lẫn nhau và cũng để so sánh hiệu năng
của các phương pháp khảo sát. Để tiến hành mô phỏng và
khảo sát tôi sử dụng các thơng số mơ hình, được đưa ra trong
Bảng 4 và được giữ khơng đổi nếu khơng có chú thích thêm.
Bảng 4: Các thơng số mơ hình hệ thống
Tham số
Giá trị
Bước sóng

780 nm
Bước sóng tiêu chuẩn
550 nm
Cơng 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 tốn trong phần II. Trên hình
vẽ, các kết quả mơ phỏng sẽ được ký hiệu bằng các hình trịn
và được chú thích bằng chữ MP. Trong mỗi mơ phỏng, 105
phép thử sẽ được thực hiện và kết quả sẽ là giá trị trung bình
trên tổng số phép thử đó.
B. Kết Quả Lý Thuyết.
Kết quả lý thuyết sẽ được vẽ bằng các công thức (5; 14,
15, 16) đã được dẫn ra trong phần II và sẽ được thể hiện vẽ
bằng các đường thẳng liền và ký hiệu bằng chữ LT.
C.

Hình 2: Xác suất cách ly nút so với số lượng nút trong
điều kiện thời tiết sương mù.
Chi tiết hơn khi tăng tầm nhìn với hệ số bằng bốn (từ
sương mù dày đặc với V = 50 m đến sương mù dày với V =
200 m) thì số lượng các nút cần thiết giảm khoảng 3,5 lần để
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
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
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 cịn
 15).
Ngồi ra, sự lựa chọn của các bước sóng truyền cũng là
một vấn đề quan trọng. Trong thực tế, các 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
và được xây dựng để hoạt động ở những bước sóng nhất định
theo thơng số kỹ thuật được sử dụng trong truyền thơng cáp
quang. Nói chung, các bước sóng dài hơn nhiều khả năng bị
ảnh hưởng của tán xạ nhiều hơn [17].
Hình 3 thể hiện sự ảnh hưởng điều kiện thời tiết sương
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
thiết để đạt được Piso = 10-3 tăng theo hệ số hai cho tầm nhìn
V = 200m và V =2 km với bước sóng hoạt động giảm từ
1550 nm đến 780 nm, do đó, khẳng định rằng bước sóng
truyền 1550 nm sẽ bị ảnh hưởng của điều kiện thời tiết sương
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 103 , ta nhận thấy với cư ly truyền là 50 km, sự gia
tăng cường độ mưa từ mưa ít R =2.5 mm/h (  35 nút) đến
mưa lớn R =5 mm/h (  80 nút) tăng đáng kể số lượng các nút
được yêu cầu theo hệ số 2. Khi các điều kiện mưa tồi tệ hơn

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.

Giải thuật mô phỏng:
Bắt đầu
Nhập các thông số đầu vào: công suất phát, thu;
phân kỳ tia; điều kiện thời tiết; khoảng cách
truyền, bước sóng truyền;
Tính tốn các tham số suy hao trên kênh truyền vô
tuyến trong các điều kiện thời tiết khác nhau.
Tính tốn khoảng cách tối thiểu trên kênh truyền
vơ tuyến trong các điều kiện thời tiết khác nhau.

Mối liên hệ khoảng cách tối thiểu với xác suất
cách ly nút, số lượng nút, khoảng cách truyền

 R
Piso 1  
l 


N

Tính toán xác suất cách ly của nút.
Vẽ mối liên hệ xác xuất cách ly với số lượng nút.
Rút ra mối quan hệ giữa xác suất cách ly với số
lượng nút, khoảng cách truyền.

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)

Hình 3: Xác suất cách ly nút với số lượng nút trong thời tiết
sương mù tầm nhìn 2km và 200m với 3 bước sóng
(750,950,1550).
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
năm để đạt được một sự cân bằng giữa các mạng có sẵn và số
lượng các nút cần thiết để đạt được giá trị Piso thấp.

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 103 . 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 khơng có lợi vì chỉ bao phủ được có một vài
km. Nhưng trong điều kiện sương mù và mưa trung bình là
chấp nhận được và một khoảng thời gian phục vụ đáng kể có
thể được bao phủ thậm chí với 10 máy thu phát. Ví dụ, với
Piso  103 , 10 nút chuyển tiếp và V  500m hoặc

R  12.5 mm h , khoảng cách truyền có thể bao phủ 8 km. Như
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  103
Điều kiện
thời tiết

Sương mù
(hệ số
thời tiết là
tầm hình
Km)

Hình 4: Xác suất cách ly nút so với số lượng nút trong
điều kiện thời tiết mưa.

Mưa (hệ
số thời

tiết là
lượng
mưa
mm/h)
Tuyết ướt
(mm/h)
Hình 5: Xác suất cách ly nút so với số lượng các nút và điều
kiện thời tiết tuyết khô (đường nét đứt) và tuyết ướt (đường
liên tục).
Cuối cùng, Hình 5 mơ 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

Tuyết khô
(mm/h)

Hệ số
thời tiết

Số lượng
trạm thu phát
N=10

N=20

N=50

V=0.05


1.83

3.28

7.67

V=0.2

5.62

10.1

23.56

V=0.5

11.4

20.4

47.72

V=1

18.9

34

79.43


V=2

30.7

55.1

128.9

V=5

55.6

99.8

233.2

R=2.5

26.1

46.1

109.6

R=12.5

10.8

19.4


45.38

R=25

7.37

13.2

30.91

R=90

3.39

6.9

14.24

Su=1

23.2

41.7

97.44

Su=2

11.9


21.4

49.92

Su=5

3.25

5.82

13.61

Sk=1

32.3

57.9

135.4

Sk=2

20.9

37.5

87.66

Sk=5


11

19.7

46.03


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 mơ hình kết
nối nhị thức điểm một chiều BPP. Tơi sử dụng mơ 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
mơ 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
thơng 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