BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG

PHẠM VŨ MINH TÚ

NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ TRUYỀN DẪNLAI GHÉP
FSO, MMW VÀ SỢI QUANG CHO MẠNG BACKHAUL
DIĐỘNG
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2023


BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG

PHẠM VŨ MINH TÚ

NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ TRUYỀN DẪNLAI
GHÉP FSO, MMW VÀ SỢI QUANG CHO MẠNG
BACKHAUL DIĐỘNG
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
MÃ SỐ: 9.52.02.08

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS. ĐẶNG THẾNGỌC
2. PGS.TS. VŨ VĂNSAN

Hà Nội – 2023

1

LỜI CAM ĐOAN

Tơixincamđoanđâylàcơngtrìnhnghiêncứucủachínhmình.Cácsốliệu,kết quả trong
luận án là trung thực và chưa từng được cơng bố trong bất cứ cơng trình nào khác. Các
kết quả được viết chung với các tác giả khác đều được các tác giả đó đồng ý trước khi
đưa vào luận án. Tất cả các kế thừa của các tác giả khác đã được tríchdẫn.
Nghiên cứusinh

Phạm Vũ MinhTú


LỜI CẢM ƠN

Sau bốn năm tập trung nghiên cứu, nghiên cứu sinh đã đạt được những kết quả
nhất định trong đề tài nghiên cứu của mình. Những kết quả đạt được đó khơng chỉ là
sự cố gắng, nỗ lực của nghiên cứu sinh, mà cịn có sự hỗ trợ và giúp đỡ của các thầy
hướng dẫn, nhà trường và gia đình. Nghiên cứu sinh muốn bày tỏ tình cảm củamình
đến vớihọ.
Đầu tiên, nghiên cứu sinh gửi lời biết ơn sâu sắc tới các thầy hướng dẫn,
PGS.TS. Đặng Thế Ngọc và PGS.TS. Vũ Văn San đã định hướng nghiên cứu và
hướng dẫn nghiên cứu sinh thực hiện các nhiệm vụ nghiên cứu trong suốt q trình
thực hiện luận án này.
NghiêncứusinhtrântrọngcảmơncácthầycơtrongHọcviệnvàLãnhđạoHọc viện Cơng
nghệ Bưu chính Viễn thơng đã động viên và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời
gian làm luậnán.
Cuối cùng, nghiên cứu sinh cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình đã
ln bên cạnh ủng hộ và động viên tơi trong suốt q trình thực hiện nội dung luận

án.
Hà Nội, tháng 10 năm 2023


MỤC LỤC
LỜICAMĐOAN.......................................................................................................i
LỜICẢMƠN............................................................................................................ii
BẢNG THUẬT NGỮVIẾTTẮT............................................................................vi
BẢNG DANH MỤC CÁCKÝHIỆU....................................................................xiii
DANH MỤC CÁCHÌNHVẼ..............................................................................xviii
DANH MỤCCÁCBẢNG.......................................................................................xx
PHẦNMỞĐẦU........................................................................................................1
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦALUẬNÁN....................................................................1
2. MỤC TIÊU, NHIỆM VỤ VÀ PHƯƠNG PHÁPNGHIÊNCỨU.......................3
3. PHẠM VINGHIÊNCỨU.....................................................................................3
4. CÁC ĐÓNG GÓP CỦALUẬNÁN......................................................................4
5. BỐ CỤC CỦALUẬNÁN.....................................................................................4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG BACKHAULDIĐỘNG........................7
1.1. Tổng quan về mạng backhauldiđộng..................................................................7
1.1.1. Mạng backhauldiđộng......................................................................................7
1.1.2. Đặc điểm của mạng backhauldiđộng...............................................................8
1.1.3. Một số giải pháp trong việc phát triển mạng backhauldiđộng..........................9
1.1.4. Các côngnghệbackhaul...................................................................................11
1.2. Các yêu cầu, thách thức của mạng backhaul thế hệ tiếptheo(5G)......................15
1.2.1. Tổng quan về mạng thông tin diđộng5G........................................................15
1.2.2. Thách thức của mạngbackhaul5G..................................................................16
1.2.3. Một số nghiên cứu mới về mạngBackhaul5G.................................................19
1.3. Các cơng trình nghiên cứu liên quan đếnluậnán................................................23
1.3.1. Các cơng trìnhtrongnước................................................................................23
1.3.2. Các cơng trình nghiên cứunướcngồi.............................................................24

1.3.2.1. Các nghiên cứu về kiến trúc và công nghệ mạng backhaullaighép..............24
1.3.2.2. Các nghiên cứu về kiến trúc sử dụng nútchuyểntiếp....................................27


1.3.2.3. Các nghiên cứu về việc sử dụng các mô hình chuyển đổikếthợp................29
1.4. Định hướngnghiêncứu......................................................................................32
1.5. Tổng kếtchương1..............................................................................................33
CHƯƠNG 2: CƠNG NGHỆ TRUYỀN DẪN BACKHAUL LAI
GHÉPFSO/MMW......................................................................................................34
2.1. Tổng quan về hệ thống truyền thông quang khôngdâyFSO..............................34
2.1.1. Giới thiệuvềFSO............................................................................................34
2.1.2. Ưu điểmcủaFSO............................................................................................39
2.1.3. Hạn chếcủaFSO.............................................................................................40
2.1.4. Thách thức đốivớiFSO...................................................................................42
2.2. Tổng quan về hệ thống truyền sóngmilimetMMW............................................44
2.2.1. Giới thiệuvềMMW........................................................................................44
2.2.2. Ưu điểmcủaMMW.........................................................................................48
2.2.3. Hạn chếcủaMMW..........................................................................................49
2.2.4. Thách thức đốivớiMMW...............................................................................50
2.3. Giải pháp truyền dẫn laighépFSO/MMW.........................................................52
2.3.1. Đặtvấnđề........................................................................................................52
2.3.2. Hệ thống truyền dẫn hai chặng hai chiều kết hợp FSO/RF sử dụng mã
hốmạng..................................................................................................................55
2.3.3. Mơ hình kênh củahệthống..............................................................................55
2.3.3.1. Mơ hìnhkênhFSO........................................................................................55
2.3.3.2. Mơ hìnhkênhRF..........................................................................................58
2.3.4. Phân tích hiệu năng củahệthống.....................................................................60
2.3.5. Kết quả phân tích hiệu năng củahệthống........................................................62
2.4. Tổng kếtchương2..............................................................................................67
CHƯƠNG 3: CÁC GIẢI PHÁP TRUYỀN DẪN BACKHAUL LAI GHÉPDỰA

TRÊN MẠNG QUANGTHỤĐỘNG...........................................................................68
3.1. Đặtvấnđề...........................................................................................................68


3.2. Cấu trúc truyền dẫn dựatrênWDM-PON...........................................................71
3.3. Phân tích hiệu năng củahệthống........................................................................73
3.3.1. Hệ thống truyền dẫnbackhaulWDM-PON......................................................73
3.3.2. Hệ thống truyền dẫn backhaul laighépWDM-PON/FSO................................76
3.3.3. Hệ thống truyền dẫn backhaul laighépWDM-PON/RF..................................79
3.4. Kết quả phân tích hiệu năng củahệthống...........................................................80
3.5. Tổng kếtchương3..............................................................................................87
CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP TRUYỀN DẪN BACKHAUL LAI GHÉP WDM-PON/
FSO.............................................................................................................................. 88
4.1. Đặtvấnđề...........................................................................................................88
4.2. Hệ thống truyền dẫn backhaul lai ghép OF/FSOquaWDM-PON......................91
4.3. Phân tích hiệu năng củahệthống........................................................................92
4.3.1. FWM trongsợiquang......................................................................................93
4.3.2. Kênhkhíquyển................................................................................................95
4.3. Kết quả phân tích hiệu nănghệthống.................................................................99
4.4. Tổng kếtchương4............................................................................................104
KẾTLUẬN...........................................................................................................105
CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃCƠNGBỐ.............................................106
DANH MỤC TÀI LIỆUTHAMKHẢO..............................................................107


BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Viếttắt

TiếngAnh


Tiếng Việt

AF

Amplify and Forward

Khuếch đại và chuyển tiếp

APD

Avalanche Photodiode

Đi-ốt quang thác

Amplified Spontaneous

Nhiễu phát xạ tự phát được

Emission

khuếch đại

A

ASE
ATM
AWG
AWGN


Asynchronous Transfer
Mode
Arrayed Waveguide Grating
Additive White Gaussian
Noise

Chế độ truyền không đồng bộ
Cách tử ống dẫn sóng dạng
mảng
Nhiễu Gauss trắng cộng

B
BBU

Base Band Unit

Khối băng tần cơ sở

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ lỗi bit

BPSK

Binary Phase Shift Keying

BOF


Bessel Optical Filter

Bộ lọc quang Bessel

BS

Base Station

Trạm gốc

BSC

Base Station Center

Trung tâm quản lý trạm gốc

Code-Division Multiple

Đa truy cập phân chia theo

Access

mã

Điều chế khoá dịch pha nhị
phân

C
CDMA
CoMP


Coordinated Multi-Point
transmission and reception

Truyền và nhận đa điểm


Cloud Radio Access

Mạng truy nhập vô tuyến đám

Network

mây

CS

Center Station

Trạm trung tâm

CSI

Channel State Information

Thông tin trạng thái kênh

D2D

Device to device


Thiết bị tới thiết bị

DF

Decode and Forward

Giải mã và chuyển tiếp

Data Over Cable Service

Đặc tính giao diện dịch vụ

Interface Specification

truyền dữ liệu qua cáp

Digital Subscriber Line

Đường dây thuê bao số

Dense Wavelengths

Ghép kênh phân chia theo

Division Multiplexing

bước sóng mật độ cao

Erbium-Doped Fiber


Khuếch đại quang pha tạp

Amplifier

Erbium

EFM

Ethernet in the First Mile

Ethernet trong dặm đầu tiên

EHF

Extremely high frequency

Tần số cực kỳ cao

Enhanced Mobile

Băng thông rộng di động

Broadband

nâng cao

Ethernet Passive Optical

Mạng quang thụ động


Network

Ethernet

Ethernet Virtual Connection

Kết nối Ethernet ảo

C-RAN

D

DOCSIS
DSL
DWDM
E
EDFA

eMBB
EPON
EVC
F
FDD
FDMA

Frequency Division Duplex

Song công phân chia theo tần
số


Frequency Division

Đa truy cập phân chia theo

Multiple Access

tần số


FEC

Forward Error Correction

Sửa lỗi trước

Free-Space Optical

Truyền thông quang trong

Communication

không gian tự do

Four-wave Mixing

Trộn bốn sóng

Generic Framing Procedure


Quy trình tạo khung chung

Gigabit Passive Optical

Mạng quang thụ động tốc độ

Networks

gigabit

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

GVD

Group Velocity Dispersion

Tán sắc vận tốc nhóm

High Speed Packet Access

Truy cập gói tốc độ cao

FSO
FWM
G
GFP

GPON

H
HSPA
I
Information &
ICT

Communication
Technologies

IMT

InternationalMobile
Telecommunications

Cơng nghệ thông tin và
truyền thông
Viễn thông di động quốc tế

IoT

Internet of Things

Internet vạn vật

IP

Internet Protocol


Giao thức Internet

International

Liên minh Viễn thông Quốc

Telecommunication Union

tế

Local Area Network

Mạng cục bộ

ITU-R
L
LAN


Link Capacity Adjustment

Sơ đồ điều chỉnh dung lượng

Scheme

liên kết

LED

Light-emitting diode


Điốt phát quang

LOS

Line of Sight

Đường nhìn thẳng

Macrocell Base Stations

Trạm gốc macrocell

LCAS

M
MBS
MIMO
mMTC
MMW
MRC

Multiple Input Multiple
Output

Đa đầu ra đa đầu vào

Massive Machine-Type

Ứng dụng truyền thơng máy


Communications

số lượng lớn

Millimeter Wave

Sóng milimet

Maximum Ratio

Kỹ thuật kết hợp theo tỷ lệ tối

Combination

ưu

Network Coding

Mã hố mạng

N
NC
NFV
NG PON

Network Function
Virtualization

Ảo hóa chức năng mạng


Next Generation Passive

Mạng quang thụ động thế hệ

Optical Network

tiếp theo

Next Generation of
NG-SDH

Synchronous Digital

SDH thế hệ sau

Hierarchy
NLOS

Non – Line Of Sight

Đường truyền không trực tiếp

Non Orthogonal Multiple
NOMA

Access

Đa truy nhập phi trực giao



O
ODN

Optical Distribution
Network

Mạng phân phối quang

OF

Optical Fiber

Sợi quang

OFC

Optical Fiber Cable

Cáp quang

Orthogonal Frequency-

Ghép kênh phân chia theo tần

Division Multiplexing

số trực giao

OLT


Optical line terminal

Đầu cuối truyền quang

ONU

Optical Network Unit

Khối mạng quang

OOK

On Off Keying

Điều chế khoá on-off

OTH

Optical Transport Hierarchy

OTN

Optical Transport Network

Mạng Truyền tải Quang

OpticalWireless

Truyền thông quang không


Communications

dây

PA

Power Amplifier

Bộ khuếch đại công suất

PAN

Personal Area Network

Mạng khu vực cá nhân

PCM

Pulse Code Modulation

Điều chế xung mã

PD

Photo-Diode

Diode tách quang

Plesiochronous Digital


Hệ thống phân cấp số cận

Hierarchy

đồng bộ

Passive Optical Network

Mạng quang thụ động

OFDM

OWC

Hệ thống phân cấp truyền tải
quang

P

PDH
PON


Dịch vụ điện thoại thông

POTS

Plain Old Telephone Service


PSK

Phase Shift Keying

Điều chế khoá dịch pha

QoE

Quality of Experience

Chất lượng trải nghiệm

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

RAN

Radio Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến

RAU

Radio Access Unit

Đơn vị truy nhập vô tuyến


RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

RNC

Radio Network Controller

Bộ điều khiển mạng vô tuyến

RoF

Radio over Fiber

RRH

Remote Radio Head

Đầu cuối vô tuyến từ xa

SBS

Small Cell Base Stations

Trạm gốc ơ nhỏ

SC


Selective Combining

Tổ hợp có chọn lọc

Synchronous Digital

Hệ thống phân cấp số đồng

Hierarchy

bộ

Signal-to-Soise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

thường

Q

R

Truyền sóng vơ tuyến qua sợi
quang

S

SDH
SNR
SONET

T

Synchronous Optical
Networking

Mạng quang đồng bộ


TDD

Time Division Duplex

TDM

Time Division Multiplexing

TDMA
TMD-PON

Song công phân chia theo
thời gian
Ghép kênh phân chia theo
thời gian

Time Division Multiple

Đa truy cập phân chia theo

Access


thời gian

Time Division Multiplexing

Mạng quang thụ động ghép

Passive Optical Network

kênh phân chia theo thời gian
Công nghệ sử dụng khoảng

TVWS

TV White Space

bảo vệ kênh lân cận của
truyền hình

U
URLLC

Ultra-Reliable Low Latency

Truyền thông đáng tin cậy với

Communications

độ trễ thấp

Virtual Concatenation


Kết nối ảo

Very high-speed Digital

Đường dây thuê bao kỹ thuật

Subscriber Lines

số tốc độ rất cao

Wavelength Division

Ghép kênh phân chia theo

Multiplexing

bước sóng

Wavelength Division

Mạng quang thụ động ghép

Multiplexing Passive

kênh phân chia theo bước

Optical Network

sóng


V
VC
VDSL
W
WDM

WDM-PON


BẢNG DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

A

Biên độ đỉnh

al

Hệ số suy giảm

𝑎!""

Bán kính hiệu dụng

𝑎#$%

Hệ số suy hao (do sương mù mỏng)

𝑎%#


Hệ số suy hao sợi quang

B

Băng thông RF

𝐵&

Băng thông quang

𝐵!

Băng thông điện

𝐶'(

Hệ số cấu trúc chiết suất

c

Vận tốc ánh sáng

𝐷

Hệ số tán sắc

e

Điện tích electron


𝐸[𝐼]

Cường độ log trung bình

𝐹*

Hệ số nhiễu vượt mức

𝐹'

Hệ số nhiễu của bộ khuếch đại PA

𝑓+

Tần số sóng mang

G

Hệ số khuếch đại

𝐺,

Hệ số khuếch đại của ăng-ten thu

𝐺-

Hệ số khuếch đại của ăng-ten phát

𝐺(


Hệ số xuất hiện fading của kênh FSO

ℎ&

Hằng số Planck


ℎ.

Hệ số tổn thất kênh và dao động cường độ do nhiễu động khí
quyển

ℎ*

Hệ số nhiễu động khí quyển

ℎ/

Phần năng lượng được thu thập bởi một đi ốt quang (PD)

𝐼

Cường độ

𝐼&

Cường độ trong khơng gian tự do

𝐼0


Dịng điện tối

K

Hệ số Rice

𝑘1

Hằng số Boltzmann

𝐾2(.)
𝐾345(.)

Hàm Bessel được sửa đổi của loại hai và bậcv
Hàm Bessel cải tiến loại hai

L

Khoảng cách liên kết

𝐿.

Khoảng cách liên kết sợi đầu tiên

𝐿%#

Chiều dài sợi quang

𝐿#$%


Khoảng cách của liên kết FSO

𝑁&

Mật độ phổ cơng suất nhiễu tính bằng dBm hoặc MHz

𝑁#

Nhiễu của máy thu

𝑁6

Tỉ lệ chia tách

𝑁"67

Độ lệch chuẩn nhiễu

𝑛8

Hệ số phát xạ tự phát

P

Áp suất khí quyển (millibars)

𝑝

Độ đáp ứng


𝑃9

Công suất quang truyền


𝑃9$:

Cơng suất nhiễu ASE

𝑃9;<

Cơng suất tín hiệu sau khi chạy qua AWG

𝑃1
𝑃=>
𝑃0
𝑃#.

Công suất RF được truyền đi
Công suất nhiễu nền
Lỗi công suất
Công suất đầu ra của sợi quang đầu tiên

𝑃#$%(e)

BER trung bình của liên kết FSO

𝑃?#(e)

BER trung bình của liên kết RF


Q (.)

HàmQ

ℜ

Độ đáp ứng của đi ốt quang

𝑅=

Tốc độ bit

𝑅@

Điện trở

𝑟A!*'
S.I
𝑆9$:

Giá trị trung bình của phân bố Rayleigh
Phương sai chuẩn hóa của cường độ
Mật độ phổ cơng suất (hai mặt) của ASE

T

Nhiệt độ tuyệt đối

𝑇!


Nhiệt độ (Kelvin)

z

Khoảng cách truyền

𝑎

Bán kính máy thu

2𝛼
𝛼*---

Đường kính thu
Hệ số suy giảm phụ thuộc thời tiết tính bằng km-1

𝛼"

Hệ số suy hao sợi quang

𝛼B

Hệ số suy hao


𝛼7CD ,𝛼,*E Độ suy giảm do hấp thụ oxy và mưa gây ra
'

β


Tham số GVD

Γ(.)

Hàm gamma tiêu chuẩn

𝛾

Gamma

𝛾9

SNR tức thời của liên kết FSO

>𝛾>9>

SNR trung bình của liên kết FSO
SNR tức thời của liên kết RF

𝛾1
>𝛾>1>

SNR trung bình của liênkếtRF

𝛾-F

Ngưỡng SNR
Phần công suất được thêm vào bởi một thành phần xuyên âm


𝜀+

trong cùng dải (in-band)
𝜁

Chỉ số Ion hóa

𝜃

Góc chùm phân kì

𝜆

Bước sóng (micromet)

𝜆1

Bước sóng của hệ thống RF

𝜆G%H

Bước sóng của WDM-PON
Giá trị hiệu dụng của điện thế tín hiệu nhận được trước bộ tách

𝜎

đường bao
𝜎E

Tổn thất chèn


𝜎6

Độ lệch chuẩn Jitter

√2𝜎

Giá trị hiệu dụng của đường bao

𝜎 ( ,𝜎 (

Phương sai nhiễu thu của các dịng tín hiệu

.

𝜎,(

&

Phuơng sai nháy sáng


𝜎C(

Phương sai chuẩn hóa của X

𝜎?(

Phương sai Rytov


𝜎9(

Phương sai của nhiễu âm cộng dạng Gauss (AWGN)

(
𝜎646/

Phương sai nhiễu giao thoa tín hiệu ASE

𝜎F(6

Phương sai nhiễu bắn

(
𝜎-F

Phương sai nhiễu nhiệt

𝜎+(C

Phương sai nhiễu xuyên âm


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1. 1. Cấu trúc mạng backhauldiđộng.................................................................8
Hình 1. 2. Các kiến trúc mạng backhaul diđộng5G..................................................26
Hình 2. 1. Mơ hình hệthốngFSO..............................................................................36
Hình 2. 2. Các cơng nghệ truyền thơng khơngdây[138]...........................................37
Hình 2. 3. Tác động của mơi trường tới một hệthốngFSO........................................40

Hình 2. 4. Mơ hình hệ thống kết hợp FSO/RFhaichặng...........................................53
Hình2.5.Tươngquangiữaxácsuấtdừngvớitổngkhoảngcáchtrongtrườnghợp
𝑃9=𝑃1= 10dBm,𝐿?#/𝐿#$%=1/2, 𝛾-F=0dB...............................................................64
Hình2.6.Tươngquangiữaxácsuấtdừngvớitổngkhoảngcáchtrongtrườnghợp
PI=PJ=10dBm,C (=K10 4.L ,vàγMN=0dB................................................................65
Hình 2. 7. BER so với tỷ lệ𝐿?#/𝐿#$%trong trường hợp fading Gamma-Gamma /
Rayleigh với𝑃9=𝑃1= 10 dBmvà𝐿=2 0 0 0 m..........................................................66
Hình3.1.Hệthốngtruyềndẫndiđộngtíchhợpgiữakhơngdâyvàsợiquang[16]
...................................................................................................................................69
Hình 3. 2. Cấu trúc hệ thống truyền dẫn dựatrênWDM-PON...................................71
Hình 3. 3. So sánh hiệu năng của hệ thống truyền dẫn lai ghép
WDM-PON/FSO,WDM-PON/RF và hệ thống NGPON2 với𝑅== 10Gbps
và𝐿?#= 𝐿#$%= 800m…..........................................................................................82
Hình 3. 4. BER so với tổng khoảng cách với các công suất phát khác nhau
vớiRO=10Gbps vàLPQ= LQRS=800m…...................................................................83
Hình 3. 5. BER so với tỷ lệ chia tách trong trường hợp tổng khoảng cách 𝐿 =
40kmvới𝑅== 10Gbps và𝐿?#= 𝐿#$%= 800m…..........................................................85
Hình 3. 6. Ảnh hưởng của hệ số khuếch đại lên BER của truyền dẫn với𝐿 = 40k m ,
𝑅== 10Gbps và𝐿?#= 𝐿#$%= 800m…................................................................85
Hình 3. 7. BER so với công suất phát với tốc độ bit khác nhau,ộ bit khác nhau, 𝐿 = 40km và𝐿?
#=
𝐿#$%=800m….........................................................................................................86