OFDM-ROF

LỜI NÓI ĐẦU

LỜI NÓI ĐẦU
Các hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng hiện đang phát triển rất mạnh mẽ. Yêu
cầu về khả năng truyền tải các dịch vụ băng rộng tích hợp (kết hợp các loại dịch vụ
thoại, số liệu, hình ảnh, dịch vụ đa phương tiện và dịch vụ gia tăng khác) khiến cho
dung lượng truyền dẫn của các hệ thống thông tin vô tuyến ngày càng tăng. Sự gia
tăng về dung lượng truyền dẫn sẽ dẫn tới phải sử dụng tần số hoạt động cao hơn và các
tế bào vô tuyến nhỏ hơn. Nhưng các tế bào vô tuyến nhỏ hơn đồng nghĩa với việc cần
một số lượng lớn các trạm gốc và các điểm truy nhập vô tuyến để đạt được vùng phủ
sóng rộng theo yêu cầu của hệ thống.
Bên cạnh đó, truyền thông sợi quang đang trở nên phổ biến hơn bởi nhiều ưu điểm
mà nó mang lại như băng thông cực rộng, không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ. Tuy
rằng phương thức này vẫn có những nhược điểm nhất định trong lắp đặt, bảo dưỡng
cũng như giá thành so với việc triển khai cáp đồng, nhưng đặc điểm về băng thông
rộng của sợi quang thì không có một môi trường nào có thể so sánh được. Chính vì
vậy, sợi quang từ lâu đã được xem là cơ sở để triển khai các mạng băng thông rộng
một cách hiệu quả.
Một trong những phương pháp để xây dựng hệ thống mạng truy nhập vô tuyến băng
thông rộng là kết hợp với kĩ thuật truy nhập bằng sợi quang. Kĩ thuật truyền sóng vô
tuyến qua sợi quang (RoF) đã ra đợi và được xem là một kĩ thuật nên tảng cho mạng
truy nhập không dây băng thông rộng của tương lai. Mặt khác, chúng ta đều biết kĩ
thuật OFDM quang là một kĩ thuật phổ biến với rất nhiều ưu điểm. Do đó việc kết hợp
OFDM quang và RoF được xem là một giải pháp mang lại hiệu quả cao cho truyền
dẫn vô tuyến băng rộng.
“Đánh giá hiệu năng hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM-RoF” là nội dung chính
của chuyên đề. Cấu trúc chuyên đề như sau:
Chương 1 Công nghệ OFDM quang:
Chương 2 nêu ra khái niệm, định nghĩa, các đặc điểm cũng như ưu nhược điểm của

kỹ thuật điều chế OFDM. Ngoài ra, còn giới thiệu về nguyên lý hoạt động của hệ
thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM bao gồm mô hình toán học, sơ đồ và
thông số của hệ thống.
Chương 2 Hệ thống truyền dẫn vô tuyến trên sợi quang – Radio over Fiber:
Chương này sẽ giới thiệu về kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến trên sợi quang RoF, bao
gồm định nghĩa, các thành phần cơ bản, kỹ thuật truyền dẫn, ưu nhược điểm và một số
ứng dụng của hệ thống sử dụng kỹ thuật RoF.
Chương 3 Đánh giá hiệu năng hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật OFDM-RoF:
Chương này trình bày về hệ thống truyền dẫn OFDM-RoF thông qua sơ đồ hệ thống
cũng như sơ đồ nguyên lý. Và thực hiện mô phỏng để đánh giá hiệu năng hệ thống vô
tuyến sử dụng kỹ thuật OFDM-RoF.

Nhóm 6

Trang 1


OFDM-ROF

LỜI NÓI ĐẦU

Mặc dù đã rất cố gắng nhưng do hạn chế về mặt kiến thức thực tế cũng như chuyên
môn nên chuyên đề của chúng em vẫn không tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em rất
mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của thầy để chuyên đề được hoàn
thiện hơn.
Hà Nội, tháng 2 năm 2016
Nhóm sinh viên

Nhóm 6


Trang 2


OFDM-RoF

MỤC LỤC

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU...........................................................................................................1
MỤC LỤC..................................................................................................................3
DANH MỤC HÌNH VẼ ..........................................................................................3
CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ OFDM QUANG.........................................................5
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN RoF...................................................19
2.3. Các ưu điểm của RoF....................................................................................41
2.3.1. Suy hao thấp...........................................................................................41
2.3.2. Băng thông lớn.......................................................................................42
2.3.3. Miễn nhiễm đối với nhiễu tần số vô tuyến............................................42
2.3.4. Lắp đặt và bảo trì đơn giản....................................................................42
2.3.5. Giảm công suất tiêu thụ.........................................................................43
2.3.6. Phân bổ tài nguyên linh hoạt.................................................................43
2.4. Các hạn chế của RoF....................................................................................43
2.5. Ứng dụng của hệ thống RoF.........................................................................44
2.5.1. Mạng tế bào............................................................................................44
2.5.2. Thông tin vệ tính....................................................................................44
2.5.3. Các dịch vụ băng rộng di động..............................................................44
2.5.4. Mạng cục bộ không dây (WLAN).........................................................44
2.5.5. Mạng cho các phương tiện giao thông..................................................45
2.6. Kết luận chương 2.........................................................................................45
CHƯƠNG 3: Đánh giá hiệu năng hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật OFDM-RoF
.........................................................................................................................................47

3.2.2. Ứng dụng của OFDM trong RoF..........................................................54
KẾT LUẬN..............................................................................................................74
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................75

DANH MỤC HÌNH VẼ
LỜI NÓI ĐẦU...........................................................................................................1
MỤC LỤC..................................................................................................................3
DANH MỤC HÌNH VẼ ..........................................................................................3
CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ OFDM QUANG.........................................................5
Nhóm 6

Trang 3


OFDM-RoF

MỤC LỤC

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN RoF...................................................19
Phân loại các kĩ thuật RHD.........................................................................31
2.3. Các ưu điểm của RoF....................................................................................41
2.3.1. Suy hao thấp...........................................................................................41
2.3.2. Băng thông lớn.......................................................................................42
2.3.3. Miễn nhiễm đối với nhiễu tần số vô tuyến............................................42
2.3.4. Lắp đặt và bảo trì đơn giản....................................................................42
2.3.5. Giảm công suất tiêu thụ.........................................................................43
2.3.6. Phân bổ tài nguyên linh hoạt.................................................................43
2.4. Các hạn chế của RoF....................................................................................43
2.5. Ứng dụng của hệ thống RoF.........................................................................44
2.5.1. Mạng tế bào............................................................................................44

2.5.2. Thông tin vệ tính....................................................................................44
2.5.3. Các dịch vụ băng rộng di động..............................................................44
2.5.4. Mạng cục bộ không dây (WLAN).........................................................44
2.5.5. Mạng cho các phương tiện giao thông..................................................45
2.6. Kết luận chương 2.........................................................................................45
CHƯƠNG 3: Đánh giá hiệu năng hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật OFDM-RoF
.........................................................................................................................................47
3.2.2. Ứng dụng của OFDM trong RoF..........................................................54
Hình 3.13: Chòm sao tín hiệu phía phát......................................................62
Hình 3.14: Tín hiệu sau khi điều chế vô tuyến (trong miền thời gian)......62
Hình 3.21 Sơ đồ nguyên lý hệ thống OFDM-RoF......................................64
KẾT LUẬN..............................................................................................................74
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................75

Nhóm 6

Trang 4


OFDM-RoF

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ OFDM QUANG
Nội dung chính của chương 1 là trình bày lịch sử công nghệ OFDM, nguyên tắc
hoạt động OFDM. Ngoài ra cuối chương đề tài phân tích ưu nhược điểm của OFDM
cũng như nêu sự khác biệt giữa OFDM quang và OFDM vô tuyến.
1.1.
Công nghệ OFDM
1.1.1.Tóm tắt lịch sử OFDM

Khái niệm OFDM được giới thiệu lần đầu tiên bởi Chang trong một hội thảo năm
1996.
Thuật ngữ “OFDM” trên thực tế được xuất hiện trong một sáng chế riêng của ông
vào năm 1970. Các lĩnh vực của OFDM đã có từ lâu và được phát triển, có tầm quan
trọng nhất định trong các ứng dụng quân sự. Sự ra đời của ứng dụng kĩ thuật số băng
rộng và sự hoàn thiện của chip CMOS có độ tích hợp cao năm 1990 đã mang OFDM
vào tâm điểm chú ý.
Năm 1995, OFDM được chọn như là một chuẩn DAB của châu Âu, đảm bảo ý
nghĩa của nó như một công nghệ điều chế quan trọng và báo hiệu một kỉ nguyên mới
của sự thành công trong một loạt các ứng dụng. Một trong số những tiêu chuẩn quan
trọng sử dụng kết hợp công nghệ OFDM là DVB, mạng cục bộ không dây (Wi-Fi;
IEEE 802.11a/g), mạng đô thị không dây (WiMAX 802.162), đường dây thuê bao bất
đối xứng (ADSL; ITU G.992.1), và công nghệ mạng không dây thế hệ tiếp theo (LTE)
thế hệ thứ tư.
Ứng dụng của OFDM trong truyền thông quang xảy ra muộn hơn và tương đối ít so
với bản sao RF. Mặc dù cùng là một từ viết tắt OFDM có từ lâu được sử dụng để đại
diện cho “ghép kênh phân chia tần số trực giao quang học” trong truyền thông quang
chung. Bài báo đầu tiên về OFDM quang trong các tài liệu mở được báo cáo bởi Pan
và Green năm 1996, và cũng liện tục có một số nghiên cứu về OFDM trong những
năm tiếp theo. Tuy nhiên, lợi thế cơ bản của OFDM, cụ thể là độ chắc chắn của nó đối
với sự phân tán của kênh quang học không được công nhận trong truyền thông quang
cho đến năm 2001. Khi Dixon et al đề xuất sử dụng OFDM để chống lại phương thức
phân tán trong sợi quang (MMF). Với thực tế là các kênh sợi MMF tương tự như kênh
không dây trong điều kiện pha đinh đa đường, không ngạc nhiên rằng các tiêu chuẩn
làm việc ban đầu trên OFDM quang tập trung vào ứng dụng sợi MMF. Sự quan tâm về
OFDM ngày một được tăng lên phần lớn là do đề xuất độc lập của OFDM quang cho
các ứng dụng đường dài từ ba nhóm, bao gồm phát hiện trực tiếp OFDM quang
(DDO-OFDM) và coherent OFDM (CO-OFDM). Cho đến nay, truyền dẫn CO-OFDM
theo chuẩn sợi đơn mode (SSMF) là 100 Gb/s qua 1000km với hiệu suất phổ tần 2
bít/s/Hz đã được chứng minh trong các nhóm khác nhau. Một trong những thế mạnh

của OFDM quang là nó có thể được điều chỉnh cho các ứng dụng khác nhau.
1.1.2. Tính trực giao
Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập với nhau. Tính trực giao là một
tính chất cho phép nhiều tín hiệu thông tin được truyền và thu tốt trên một kênh truyền
chung và không có xuyên nhiễu giữa các tín hiệu này. Mất đi tính trực giao sẽ làm cho
Nhóm 6

Trang 5


OFDM-RoF

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

các tín hiệu thông tin này bị xuyên nhiễu lẫn nhau và đầu thu khó khôi phục lại được
hoàn toàn thông tin ban đầu. Trong OFDM, các sóng mang con chồng lấn nhau nhưng
tín hiệu vẫn có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế
cận bởi vì giữa các sóng mang con có tính trực giao. Một tập các tín hiệu được gọi là
trực giao từng đôi một khi hai tín hiệu bất kỳ trong tập đó thỏa điều kiện.

* (t)dt =  K
S
(t).S

∫ i j
0

TS

i= j

(1.1)

i≠ j

với S*(t) là ký hiệu của liên hợp phức S(t). Ts là chu kỳ ký hiệu. K là hằng số.Tập N
sóng mang phụ trong kỹ thuật OFDM có biểu thức:

k

sin(2π t )
TS
f k (t) = 
0


0  t  TS

(1.2)

t ∉ (0, TS )

với k = 0, 1, …, N-1
1

Các sóng mang này có tần số cách đều nhau một khoảng FS = T và trực giao từng
S
đôi một do thỏa điều kiện (1.1).
 k1 
 k2 
Ta xét hai sóng mang Sin  2π t  và Sin  2π t 

 TS 
 TS 
TS

 k1
∫0 Sin  2 π TS


 k
t .Sin  2 π 2

 TS

T


1 S
t
t 
t  dt = ∫  cos2 π( k 1 − k 2 ) − cos2 π( k 1 + k 2 ) dt = 0
2 0
TS
TS 


(1.
3)

Hình 1.1: Phổ của các sóng mang trực giao
Như vậy, các sóng mang thuộc tập (1.2) là trực giao từng đôi một hay còn gọi là

độc lập tuyến tính. Trong miền tần số, phổ của mỗi sóng mang phụ có dạng hàm sincx
Nhóm 6

Trang 6


OFDM-RoF

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

do mỗi ký hiệu trong miền thời gian được giới hạn bằng một xung chữ nhật. Mỗi
sóng mang phụ có một đỉnh ở tần số trung tâm và các vị trí null tại các điểm cách tần
số trung tâm một khoảng bằng bội số của F S. Vì vậy, vị trí đỉnh của sóng mang này sẽ
là vị trí null của các sóng mang còn lại (Hình 1.1). Và do đó các sóng mang không gây
nhiễu cho nhau.
1.2. Nguyên lí OFDM
1.2.1. Xây dựng biểu thức toán học của một tín hiệu OFDM
OFDM là một loại đặc biệt của MCM, việc thực hiện chung của nó được mô tả
trong hình 1.2. Cấu trúc của một bộ nhân phức tạp (điều chế IQ/ giải điều chế IQ), nó
thường được sử dụng trong hệ thống MCM, cũng được thể hiện trong hình. Tín hiệu
truyền MCM s(t) được biểu diễn:

s (t ) =

+∞ N sc

∑ ∑ c s (t − iT )

i = −∞ k = 1


ki k

s

(1.4)

sk (t ) = Π (t )e j 2π fk t

(1.5)

 1,(0 < t ≤ Ts )
Π (t ) = 
 0,(t ≤ 0, t > Ts )

(1.6)

Trong đó cki là kí hiệu mang thông tin thứ i tại sóng mang con thứ k, sk là dạng sóng
cho k sóng mang con, Nsc là số sóng mang con, fk là tần số sóng mang con, Ts là thời
gian một kí hiệu OFDM , và ∏(t) là hàm xung đơn vị. Các bộ dò quang tối ưu cho mỗi
sóng mang con sử dụng một bộ lọc phù hợp với dạng sóng hay tương quan phù hợp
với sóng mang con như trong hình 1.2.

Hình 1.2: Sơ đồ chung cho một hệ thống điều chế đa sóng mang
Do đó, việc xác định kí hiệu mạng thông tin c’ik tại đầu ra được tính theo công thức
sau:

Nhóm 6

Trang 7



OFDM-RoF

Chương 1: Công nghệ OFDM quang
T

T

1 s
1 s
*
cki′ = ∫ r ( t − iTs ) sk dt = ∫ r ( t − iTs ) e − j 2π fk t dt
Ts 0
Ts 0

(1.7)

Trong đó r(t) là thời gian tín hiệu trong miền thu. MCM cổ điển sử dụng những tín
hiệu có dải tần hạn chế không chồng chéo và có thể được lắp đặt với một số lượng lớn
khối dao động và bộ lọc cả đầu phát và đầu thu. Bất lợi lớn của MCM là nó yêu cầu
băng thông lớn. Đó là bởi vì để thiết kế các bộ lọc và bộ dao động một cách hiệu quả,
khoảng cách kênh phải bằng một bội số của tốc độ kí hiệu để giảm hiệu quả phổ một
cách tốt nhất. Một phương pháp mới đã được nghiên cứu bằng việc sử dụng những bộ
tín hiệu trực giao chồng lấn nhau. Tính trực giao này bắt nguồn từ một mối tương quan
đơn giản giữa bất kì hai sóng mang con nào.
T

T

1 s

1 s
δ kl = ∫ sk sl*dt = ∫ exp ( j 2π ( f k − f l )t ) dt = exp ( jπ ( f k − f l )Ts )
Ts 0
Ts 0

(1.8
)

Có thế thấy rằng nếu điều kiện

f k − fl = m

1
Ts

(1.9)

được thỏa mãn thì hai sóng mang con sẽ trực giao với nhau. Điều này có nghĩa rằng
những bộ sóng mang con này trực giao với nhau, với khoảng cách tần số là bội của
thời gian kí hiệu, có thể sử dụng các bộ lọc thích hợp để loại bỏ nhiễu giữa các sóng
mang (ICI), mặc dù sự chồng lấn phổ của tín hiệu rất lớn.
1.2.2. Thực hiện biến đổi Fourier rời rạc đối với OFDM
Một thách thức chính đối với OFDM đó là cần một số lượng lớn các sóng mang con
vì vậy kênh truyền dẫn xem mỗi sóng mang con như một kênh riêng. Điều này dẫn đến
một cấu trúc vô cùng phức tạp với nhiều bộ dao động và bộ lọc ở cả phía phát và phía
thu. Weinsten và Ebert đầu tiên khám phá ra điều chế và giải điều chế OFDM có thể
được thực hiện bằng việc biến đổi Fourier nhanh đảo (IDFT) và biến đổi Fourier
nhanh thuận (DFT). Điều này là hiển nhiên qua việc nghiên cứu điều chế OFDM công
thức (1.4) và giải điều chế OFDM công thức (1.5). Tạm bỏ qua chỉ số i và coi Nsc là N
trong công thức (1.4) để tập trung chủ yếu vào một kí tự OFDM và chúng ta lây mẫu

s(t) tại các khoảng thời gian Ts/N. Như vậy công thức (1.4) trở thành
N

sm = ∑ ck .e

j 2π f k .

( m − 1)Ts
N

k =1

(1.10)

Sử dụng điều kiện trực giao của công thức (1.9) và quy ước rằng:

fk =

k −1
Ts

(1.11)

Và thay (1.11) vào (1.10) chúng ta được:
Nhóm 6

Trang 8


OFDM-RoF


Chương 1: Công nghệ OFDM quang
N

sm = ∑ ck .e
k =1

j 2π f k .

( m − 1)Ts
N

N

= ∑ ck .e
k =1

j 2π

(k − 1)( m − 1)
N

= ℑ − 1 { ck }

(1.12)

Khi ℑ là biến đổi Fourier, và m ∈ ( 1, N ) , tương tự, tại phía thu chúng ta có:

ck′ = ℑ{ rm }


(1.13)

Khi rm là tín hiệu được lấy mẫu tại tất cả các khoảng thời gian Ts/N. từ công thức
(1.12) và công thức (1.13), các giá trị rời rạc của tín hiệu truyền OFDM s(t) chỉ đơn
thuần là N điểm IDFT của kí hiệu mang thông tin ck, và kí hiệu mang thông tin nhận
được c’k là N điểm DFT của tín hiệu lấy mẫu thu được. Thực hiện DFT/IDFT cho
chuyển đổi từ số sang tương tự và từ tương tự sang số. Có hai thuận lợi chủ yếu của
việc thực hiện DFT/IDFT trong OFDM. Thứ nhất là để giảm thời gian tính DFT/IDFT
thì người ta giảm số lượng phép tính nhanh bằng cách sử dụng thuật toán IFFT/FFT,
số phép nhân phức tạp đối với IFFT trong (1.12) và FFT trong (1.13) giảm từ N2 còn
{Nlog2(N)}/2 gần như tuyến tính với số sóng mang con N. Thứ hai, rất nhiều sóng
mang con trực giao có thể được tạo ra và được giải điều chế mà không cần nhiều bộ
dao động RF và bộ lọc phức tạp. Điều này dẫn đến một kiến trúc tương đối đơn giản
cho thực hiện OFDM khi mà rất nhiều sóng mang con được yêu cầu. Tương ứng kiến
trúc sử dụng DFT/IDFT và DAC/ADC được chỉ ra trong hình 1.3.

Hình 1.3: Sơ đồ (a) OFDM quang phía phát (b) OFDM phía thu
Tại phía phát, bít dữ liệu đầu vào nối tiếp đầu tiên được chuyển đổi thành nhiều
luồng dữ liệu song song, ánh xạ lên mỗi kí hiệu thông tin tương ứng cho mỗi sóng
mang con với một kí hiệu OFDM và tín hiệu số trong miền thời gian thu được bằng
việc biến đổi IDFT, sau đó được đưa vào mới một khoảng bảo vệ và chuyển đổi thành
dạng sóng thời gian thực thông qua DAC. Khoảng bảo vệ được đưa vào để ngăn cản
nhiễu giao thoa kí tự (ISI) do kênh phân tán. Tín hiệu băng gốc có thể được chuyển đổi
Nhóm 6

Trang 9


OFDM-RoF


Chương 1: Công nghệ OFDM quang

nâng tần thành RF thích hợp với một bộ điều chế. Tại phía thu, tín hiệu OFDM được
chuyển đổi hạ tần thành tín hiệu băng gốc với bộ giải điều chế, lấy mẫu với ADC, và
sau đó giải điều chế bởi thực hiện DFT và tín hiệu băng gốc được xử lí để phục hồi dữ
liệu.
Chú ý rằng từ công thức (1.10), tín hiệu OFDM sm là một hàm tuần hoàn với chu kì
N/Ts. Cụ thể là trong (1.10) và (1.11), tần số sóng mang con fk và chỉ số k có thể được
tổng quát là:

fk =

k −1
, k ∈ [ kmin + 1, k min + N ]
Ts

(1.14)

Khi kmin là một số nguyên tùy ý. Tuy nhiên, chỉ có hai chỉ số sóng mang con được
sử dụng rông rãi: k∈ [1,N] và k∈ [-N/ +1,N/2].
1.2.3. Tiền tố lặp đối với OFDM
Một trong những kĩ thuật cho phép đối với OFDM là chèn các tiền tố lặp. Chúng ta
hãy xem xét hai kí hiệu OFDM liên tiếp trải qua một kênh phân tán với một độ trễ td.
Để đơn giản, mỗi kí hiệu OFDM chỉ bao gồm hai sóng mang con với trễ nhanh và trễ
chậm là td, đặc trưng bởi “sóng mang con nhanh” và “sóng mang con chậm” tương
ứng. Hình 1.4a chỉ ra rằng bên trong mỗi kí tự OFDM, hai sóng mang con- sóng mang
con nhanh và sóng mang con chậm được liên kết khi truyền. Hình 1.4b chỉ ra rằng các
tín hiệu OFDM ở trên cùng đến phía thu, khi mà sóng mang con chậm trế td so với
sóng mang con nhanh. Chúng ta lựa chọn một cửa sổ DFT có chứa một kí tự OFDM
hoàn chỉnh cho sóng mang con nhanh. Rõ ràng đó là do phân tán kênh, sóng mang con

chậm đã vượt qua ranh giới kí hiệu dẫn đến nhiễu giữa các kí hiệu OFDM lân cận, nó
được gọi là nhiễu liên kí tự (ISI). Hơn nữa, vì dạng sóng OFDM trong cửa sổ DFT đối
với sóng mang chậm chưa được hoàn chỉnh, điều kiện trực giao quan trọng đối với
mỗi sóng mang con phương trình (1.8) bị mất, kết quả là xảy ra nhiễu kênh lân cận
(ICI).
Tiền tố lặp được đề xuất để giải quyết các vấn đề nhiễu ISI và ICI. Hình 1.4c chỉ ra
việc chèn vào một tiền tố lặp bằng việc mở rộng tuần hoàn vào dạng sóng OFDM
khoảng bỏa vệ ∆G. Như trong hình 1.4c, dạng sóng trong khoảng bảo vệ về cơ bản là
một bản sao của chính nó trong cửa sổ DFT, với một khoảng thời gian dịch chuyển là
ts. Hình 1.4d chỉ ra tín hiệu OFDM với khoảng bảo vệ nhận được. Nếu giả định các tín
hiệu được đi qua các kênh phân tán giống nhau và cùng cửa sổ DFT được chọn bao
gồm một kí tự OFDM hoàn chỉnh đối với sóng mang con nhanh. Có thể thấy được từ
hình 1.4d một kí tự OFDM hoàn chỉnh đối với sóng mang con chậm cũng được duy trì
trong cửa sổ DFT bởi vì một tỷ lệ của tiền tố lặp đã được chuyển vào trong cửa sổ
DFT để thay thế một phần giống hệt đã được chuyển ra. Như vậy, kí tự OFDM đối với
sóng mang con chậm là một bản sao giống hệt dạng sóng truyền được thêm vào trong
quá trình chuyển đổi giai đoạn. Chuyển đổi giai đoạn này được xử lí trong quá trình
ước lượng kênh và sẽ được quyết định loại bỏ đối với kí tự. Bây giờ chúng ta đi đến
điều kiện quan trong đối với truyền OFDM tự do với nhiễu ISI.

Nhóm 6

Trang 10


OFDM-RoF

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

td < ∆G


(1.15)

Hình 1.4: Tín hiệu OFDM quang (a) Không có CP ở phía phát (b) Không có CP ở
phía thu (c) Có CP ở phía phát d) Có CP ở phía thu
Để khôi phục lại đúng kí tự OFDM mang thông tin, có hai vấn đề cần phải được
thực hiện: (1) là lựa chọn một cửa sổ DFT phù hợp, gọi là đồng bộ cửa sổ DFT và (2)
là ước lượng khoảng dịch chuyển đối với mỗi sóng mang con, gọi là ước lượng kênh
hay đồng bộ sóng mang con. Cả hai vấn đề xử lí tín hiệu này được theo đuổi nghiên
cứu một cách tích cực, và chúng được đưa ra thảo luận trên cả sách và tạp trí.
Nhóm 6

Trang 11


OFDM-RoF

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

Hình 1.5: Tín hiệu OFDM quang trong miền thời gian đối với
Một cách mô tả tiền tố lặp là một biểu thức giống như trong biểu thức (1.4) đối với
truyền tín hiệu s(t) nhưng được mở rộng dạng hàm xung (1.6) để chèn khoảng bảo vệ:

 1,(−∆ G < t ≤ ts )
Π (t ) = 
 0,(t ≤ −∆ G , t > ts )

(1.16)

Miền thời gian kí tự OFDm tương ứng được minh họa trong hình 1.5, nó chỉ ra rằng

một kí tự OFDM hoàn chỉnh bao gồm thời gian quan sát và tiền tố lặp. Các dạng sóng
trong thời gian quan sát sẽ được sử dụng để khôi phục kí tự thông tin trong miền tần
số.
1.2.4. Phổ hiệu dụng của OFDM quang
Trong hệ thống DDO-OFDM, phổ quang thường không phải là bản sao tuyến tính
của phổ RF, do đó hiệu quả phổ quang phụ thuộc vào sự thực thi chi tiết. Chúng ta
chuyển hướng tập trung vào hiệu quả phổ quang của hệ thống CO-OFDM. Trong hệ
thống CO-OFDM, sóng mang con Nsc được truyền trong mỗi thời gian kí tự OFDM Ts,
Do đó tổng tốc độ kí hiểu R đối với CO-OFDM được tính bởi:

R = N sc Ts

(1.17)

Hình 1.6a là phổ của ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) với điều chế COOFDM và hình 1.6b là sự thu nhỏ quang phổ đối với mỗi kênh bước sóng. Chúng ta
sử dụng băng thông của những kí tự rỗng đầu tiên để biểu thị ranh giới của mỗi kênh
bước sóng. Băng thông OFDM, BOFDM được tính bởi công thức:

BOFDM =

2 N sc − 1
+
Ts
ts

(1.18)

Khi ts là độ rộng một kí tự có ích (nhìn hình 1.5). Giả sử rằng một phần lớn sóng
mang con được sử dụng, băng thông hiệu dụng của OFDM là η được tính bởi:


η =2
Nhóm 6

R
BOFDM

= 2α ,

(1.19)
Trang 12


OFDM-RoF

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

α=

ts
Ts

Hình 1.6: Phổ quang (a) Ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM ) N
kênh CO-OFDM (b) Tín hiệu OFDM thu nhỏ đối với một bước sóng (c)
OFDM kênh chéo không có khoảng bảo vệ
Khi mà sử dụng giá trị khoảng bảo vệ là 8/9 thì chúng ta sẽ tính được hệ số phổ hiệu
dụng η là 1.8 Bd/Hz. Phổ hiệu dụng là 3.6 bit/s/Hz nếu sử dụng điều chế QPSK đối
vỡi mỗi sóng mang. Phổ hiệu dụng có thể được tăng lên bằng việc sử dụng điều chế
QAM. Để triển khai thực tế hệ thống CO-OFDM, phổ hiệu dụng sẽ phải giảm do cần
một khoảng bảo vệ giữa các kênh WDM.
1.2.5. Dung lượng hệ thống OFDM quang

Xét cho trường hợp đơn giản với giả thiết là cấu hình các sóng mang cong giống
nhau, nghĩa là tất cả các sóng mang con đều có chung một cấu hình (điều chế, mã hóa,
băng thông, công suất… ).

Nhóm 6

Trang 13


OFDM-RoF

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

Nếu gọi Rc là tỷ lệ mã, M là mức điều chế, N sc là số sóng mang con, Ts là độ dài kí
tự, B là độ rộng băng thông, t s là độ dài kí tự có ích (thời gian FFT), khoảng cách giữa
các sóng mang con là ∆f=1/ts và α=ts/Ts, tốc độ bít tổng được tính như sau:

B 
Rc log 2 ( M )

Rc log 2 ( M ) ) N sc 
(
∆f ÷

Rtb =
=
Ts
Ts

(1.20)


t
= ( Rc log 2 ( M ) ) B s = ( Rc log 2 ( M ) ) Bα
Ts

Từ công thức (1.20) cho thấy, đối với một sóng mang con hay một nhóm các sóng
mang con, bốn thông số sau đây sẽ quyết định tốc độ bít: (1) tỷ lệ mã, (2) mức điều
chế, (3) độ rộng băng thông và 4 là α. Trong một hệ thống OFDM ta có thể thay đổi
các thông số này để đạt được tốc độ bít tốt nhất nhưng vẫn đảm bảo QoS cho hoàn
cảnh cụ thể của kênh tại thời điểm xét.
1.3. Sơ độ hệ thống truyền dẫn OFDM quang
Hình 1.7 là mô hình của một hệ thống OFDM, bao gồm năm khối chức năng cơ
bản: Khối phát RF OFDM, chuyển đổi từ RF sang quang (RTO), đường truyền quang,
chuyển đổi quang sang RF (OTR) và khối thu RF OFDM. Trong phần này, RF được
sử dụng để thay thế cho nhau trong miền điện để biểu thị cho giao diện vật lí điều đó
trái ngược trong miền quang. Độ tuyến tính kênh truyền dẫn là cơ sở giả định trong
OFDM. Do đó, nghiên cứu tính phi tuyến trong mỗi khối chức năng có tầm quan trọng
lớn. Khối phát và thu RF OFDM đã được nghiên cứu trong hệ thống RF và như vậy nó
vẫn giữ vai trò quan trọng trong hệ thống OFDM.
1.3.1. Khối phát RF OFDM
Dữ liệu đầu vào nối tiếp được đưa vào bộ S/P (chuyển đổi nối tiếp sang song song),
tại đây dữ liệu sẽ được chuyển thành Nsc “kí tự thông tin” song song. Những kí tự này
sẽ được đưa vào bộ mapper nhằm nâng cao dung lượng kênh truyền. Tín hiệu trong
miền thời gian thu được sau khi qua bộ mapper sẽ được đưa đến bộ điều chế OFDM
(IDFT). Khối IDFT này có nhiệm vụ rời rạc hóa tín hiệu OFDM trong miền thời gian,
giả sử tín hiệu thu được sau khi biến đổi IDFT là cki và sau đó được chèn một khoảng
bảo vệ để tránh phân tán kênh, chống nhiễu ISI (nhiễu liên kí tự) và nhiễu ICI (nhiễu
lênh lân cận). Khoảng bảo vệ sẽ được thêm vào dạng sóng của tín hiệu OFDM. Tín
hiệu băng gốc trong miền thời gian có thể được biểu diễn:


Nhóm 6

Trang 14


OFDM-RoF

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

Hình 1.7: Kiến trúc hệ thống OFDM chuyển đổi up/down trực tiếp

s(t ) =

+∞

k = N sc /2

∑ ∑

i = −∞ k = − N sc /2+ 1

cki Π (t − iTs )e j 2π fk (t − iTs )

fk =

k −1
ts

 1,(−∆ G < t ≤ t s )
Π (t ) = 

 0,(t ≤ −∆ G , t > ts )

(1.21)
(1.22)

(1.23)

Trong đó cki là kí hiệu mang thông tin thứ i tại sóng mang con thứ k, fk là tần số sóng
mang con thứ k, Nsc là số sóng mang con, Ts là thời gian một kí hiệu OFDM, ts là thời
gian kí tự OFDM hiệu dụng, ∆G là khoảng bảo vệ và ∏(t) là hàm xung đơn vị. Phần mở
rộng dạng sóng trong khoảng thời gian (-∆ G, 0) trong phương trình (1.23) đại diện cho
chèn tiền tố lặp hay khoảng bảo vệ (đã trình bày trong mục 1.2.3). Tín hiệu sau đó sẽ
được chuyển đổi từ số sang tương tự qua bộ DAC và được lọc bởi mộ bộ lọc thông
thấp loại bỏ các tín hiệu không mong muốn.
1.3.2. Khối chuyển RF sang quang và ngược lại
Tín hiệu OFDM băng gốc có thể được chuyển đổi thành RF thông qua bộ trộn tần
IQ (không được chỉ ra trong hình), Hình 1.7 là một kiến trúc nâng tần trực tiếp, ở đó
máy phát OFDM RF tạo ra tín hiệu OFDM băng gốc. Ở phía phát, bộ RTO sẽ chuyển
tín hiệu băng gốc này sang miền quang sử dụng một bộ điều chế quang. Tín hiệu
OFDM băng gốc được chuyển đổi trực tiếp tới miền quang sau đó đưa lên đường
truyền quang. Đường truyền quang sử dụng sợi đơn mode để truyền và trên đường
truyền sử dụng các bộ khuếch đại để khuếch đại tín hiệu. Ở phía thu, tín hiệu OFDM
quang được chuyển đổi thành một tín hiệu OFDM RF, ngược lại so với phía phát.

Nhóm 6

Trang 15


OFDM-RoF


Chương 1: Công nghệ OFDM quang

1.3.3. Khối thu RF OFDM
Ở phía thu, tín hiệu OFDM hạ tần được lấy mẫu với một bộ ADC, sau đó tín hiệu
này cần đưa qua ba mức đồng bộ phức tạp trước khi quyết định kí tự dữ liệu, ba mức
đồng bộ:
1. Đồng bộ cửa sổ DFT trong đó các kí tự OFDM được mô tả đúng để
tránh nhiễu liên kí tự. Đồng bộ ký tự nhằm xác định chính xác thời điểm bắt
đầu một ký tự OFDM. Hiện nay, với kỹ thuật sử dụng tiền tố lặp (CP) thì đồng
bộ ký tự đã được thực hiện một cách dễ dàng hơn.
2. Đồng bộ tần số, cụ thể là dịch tần được ước lượng, được bù trừ và hơn
thế nữa là được hiệu chỉnh tới một giá trị nhỏ nhất khi bắt đầu. Người ta đưa ra
hai phương pháp để khắc phục sự bất đồng bộ này. Phương pháp thứ nhất là sử
dụng bộ dao động điều khiển bằng điện áp (Voltage Controlled OscillatorVCO). Phương pháp thứ hai được gọi là: Lấy mẫu không đồng bộ. Trong
phương pháp này, các tần số lấy mẫu vẫn được giữ nguyên nhưng tín hiệu
được xử lý số sau khi lấy mẫu để đảm bảo sự đồng bộ.
3. Khôi phục sóng mang con, mỗi kênh sóng mang con được ước lượng và
bù trừ. Ước lượng kênh (Channel estimation) trong hệ thống OFDM là xác
định hàm truyền đạt của các kênh con và thời gian để thực hiện giải điều chế
bên thu khi bên phát sử dụng kiểu điều chế kết hợp (coherent modulation). Để
ước lượng kênh, phương pháp phổ biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đường
(PSAM-Pilot signal assisted Modulation).
1.4. Sự khác nhau giữa OFDM quang và OFDM RF
Có một sự sai lầm là do OFDM RF đã được nghiên cứu từ khá lâu, khoảng 20 năm,
và hệ thống OFDM quang sẽ là một nỗ lực giúp chuyển đổi từ miền vô tuyến không
dây sang miền quang. Việc sử dụng các hệ thống truyền thông quan SMF và các hệ
thống không dây là các ví dụ, chúng tôi đưa ra các khác biệt sau có các ý nghĩa hệ quả
đối với thiết kế OFDM như sau:
• Mô hình kênh: Bảng 1.1 tóm tắt các điểm khác biệt chính giữa các kênh

truyền thông vô tuyến và quang. Một kênh vô tuyến điển hình có thể được mô
hình hóa như là sự tổng hợp của nhiều tuyến đường mà mỗi tuyến đường phải
trải qua một quá trình Reyleigh.
• Tính phi tuyến kênh: kênh vô tuyến trong không gian tự do và do đó
không có bất kỳ tính phi tuyến nào. Ngược lại, đường truyền sợi quang mang
đặc tính phi tuyến. Kết hợp cùng với tán sắc sợi quang, PMD và các hiệu ứng
PDL, kênh quang thường phức tạp hơn so với kênh vô tuyến. Thường thường,
không có bất kỳ giải pháp phân tích đóng nào đối với việc truyền dẫn phi tuyến
trong sợi quang, trong đó các giải pháp tính toán số học đối với phương trình
phi tuyến Schrodinger mô tả việc truyền sóng phi tuyến trong sợi quang được
yêu cầu để phân tích hiệu năng. Ngay từ cái nhìn đầu tiên, OFDM bị cản trở bởi
giá trị PAPR cao sẽ không phù hợp với kênh sợi quang có tính phi tuyến cao.
May mắn là sự tán sắc màu trong sợi quang như là một yếu tố thuận lợi giúp
làm giảm tính phi tuyến và các thí nghiệm thực nghiệm đã cho thấy việc truyền
dẫn thành công tốc độ 100Gb/s CO-OFDM trên tuyến đường dài 1000km sử
dụng sợi quang SSMF.
Nhóm 6

Trang 16


OFDM-RoF

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

Bảng 1.1: So sánh giữa các kênh quang và kênh không dây
Mô hình toán
Tính phi
Tốc đô
học

tuyến
OFDM
- Đa miền thời
không dây gian
- Rayleigh rời
rạc
- Fadinh
OFDM
quang

- Miền tần số
liên tục
-Tán sắc miền

Không

Đáng kể

Cực nhanh trong
môi trường di động

Trung bình

• Biến đổi thời gian của các đặc tính kênh: cũng quan trọng như tán sắc
tần số (hoặc việc chọn tần) của kênh, việc chọn lọc thời gian hoặc tán sắc là
một yếu tố xác định khác. Tán sắc thời gian được định nghĩa như tỷ số ở đó các
đặc tính kênh thay đổi. Trong các hệ thống không dây, tán sắc thời gian được
đặc trưng như tần số Doppler từ các người dùng di động di chuyển với tốc độ
cao, trong khi trong các hệ thống truyền dẫn sợi quang, nó được đặc trưng như
việc quay phân cực từ sự xáo trộn cơ học của liên kết sợi quang. Việc mở rộng

của sự lựa chọn thời gian được đặc trưng bởi sản phẩm của tần số Doppler
trong các hệ thống không dây (hoặc tỷ lệ quay phân cực trong các hệ thống sợi
quang) và chiều dài ký hiệu OFDM, tương đương 0,04 đối với hệ thống truyền
thông di động phổ biến (Universal Mobile Telecommunications System) hoặc
môi trường mạng LAN không dây hoặc 5 x 10 -5 đối với các hệ thống sợi quang
(sử dụng chiều dài ký hiệu 50ns và tốc độ quay phân cực 1 kHz). Sau đó, kênh
quang có thể được xem xét bán tĩnh điện. Việc ước tính kênh hiệu quả có thể
được sử dụng bằng việc tận dụng ưu điểm của đặc tính quan trọng này.
• Khuếch đại phi tuyến: đây là một yếu tố quan trọng có thể không
thường được công nhận. Trong các hệ thống không dây, tính phi tuyến chủ yếu
diễn ra trong việc khuếch đại quang, do đó ta có thể có một bộ khuếch đại
không suất RF độ bão hòa cao hoặc hoạt động tại công suất back-off vừa đủ.
Tuy nhiên trong các hệ thống sợi quang, bộ khuếch đại chiếm ưu thế là EDFA
với tính tuyến tính tuyệt vời. Điều này là do đáp ứng thời gian của EDFA tính
theo ms, do đó bất kỳ tính phi tuyến nào nhanh hơn ms thực tế sẽ bị biến mất.
Điều này rất có ý nghĩa theo nghĩa trong việc thiết kế các hệ thống CO-OFDM,
khi gặp phải việc đánh đổi giữa tổn thất quang với tổn thất RF, ta sẽ chọn cái
đầu tiên vì nó có tính tuyến tính cao hơn. Ví dụ, trong việc thiết kế bộ phát COOFDM, ta sẽ chọn việc tối thiểu hóa các ổ điện áp thành các modulator IQ
quang và khuếch đại quang tín hiệu để bù đắp tổn thất vượt quá của Modul IQ
quang.
• Khả năng chịu lỗi khi truyền dẫn out-of-band: Trong các hệ thống
không dây, do sự thiếu hụt của phổ tần số, kênh RFF được đóng gói nhỏ nhất có
thể. Do đó, có một yêu cầu truyền dẫn out-of-band giới hạn được đặt lên các bộ
phát OFDM.
Hình 1.8 chỉ ra mặt nạ truyền dẫn đối với một tín hiệu Wi-fi chỉ ra chi tiết mật độ
tương đối tối đa ở đó việc truyền dẫn bị giới hạn. Ví dụ, đối với tín hiệu Wi-Fi với
khoảng cách kênh 20 MHz, mật độ truyền dẫn tối đa tương ứng tại 11,20 và 30Mhz
Nhóm 6

Trang 17



OFDM-RoF

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

tương ứng là -20, -28, -30 dB với mật độ trong băng. Nó sẽ là một nhiệm vụ dễ dàng
nếu một bộ lọc RF có thể được sử dụng để loại bỏ bất kỳ sự phát xạ nào tại bộ phát
trong một hệ thống không dây. Vấn đề là việc khuếch đại công suất là một trong
những đóng góp lớn tới việc tiêu thụ công suất chip tổng thể, và việc đưa ra một bộ lọc
RF đăng sau bộ khuếch đại công suất sẽ giảm đáng kể tổn thất và giảm ảnh hưởng của
công suất chip. Do đó, nó thường được tránh dùng trong các hệ thống không dây. Điều
này đặt ra một yêu cầu nghiêm ngặt tới bộ phát OFDM theo khía cạnh điều khiển phi
tuyến. Ngược lại, trong các hệ thống quang, các thiết bị ghép kênh phân chia theo
bước sóng thường được sử dụng để kết hợp nhiều bước sóng khác nhau, và bất kỳ việc
truyền tải out-of-band nào từ bộ phát CO-OFDM được loại bỏ một cách hiệu quả. Như
vậy, bộ phát CO-OFDM có khả năng chịu lỗi tốt hơn tới việc truyền dẫn out-of-band.
Thực tế này cần được tận dụng khi giải quyết với việc giảm thiểu PAPR trong các hệ
thống CO-OFDM.

Hình 1.8: Mặt nạ phổ truyền dẫn đối với tín hiệu Wi-fi. Sau mức tham chiếu 80.
1.5. Kết luận chương 1

Nhóm 6

Trang 18


OFDM-RoF
RoF


Chương 2: Hệ thống truyền dẫn

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN RoF
Một trong những phương pháp để đạt được mạng truy nhập vô tuyến băng thông
rộng là kết hợp với kỹ thuật truy nhập bằng sợi quang, với ưu điểm là băng thông lớn
và cự ly xa. Một trong những sự kết hợp đó là kỹ thuật Radio over Fiber, một kỹ thuật
mà hiện nay được coi là nền tảng cho mạng truy nhập không dây băng thông rộng
trong tương lai. Tuy kỹ thuật RoF chỉ mới trong giai đoạn nghiên cứu, phát triển và
thử nghiệm nhưng những kết quả mà nó mạng lại rất khả quan, khiến nhiều người tin
tưởng đó sẽ là một kỹ thuật cho các ứng dụng mạng truy nhập vô tuyến trong tương
lai. Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về hệ thống RoF cũng như các kĩ thuật
được sử dụng trong RoF và ứng dụng của RoF.
2.1. Tổng quan
2.1.1. Khái niệm
Truyền sóng vô tuyến trên sợi quang, Radio over Fiber hay gọi tắt là RoF là
phương pháp truyền tín hiệu vô tuyến đã được điều chế trên sợi quang. Hay nói cách
khác RoF sử dụng các tuyến quang có độ tuyến tính cao để truyền dẫn các tín hiệu RF
(analog) đến các trạm thu phát.
Công nghệ truyền sóng vô tuyến qua sợi quang sử dụng đường truyền sợi quang để
phân phối các tín hiệu tấn số vô tuyến (RF) từ các vị trí trạm trung tâm đến các khối
anten đầu xa (RAUs), hình 2.1.

Hình 2.1: Nguyên lý hệ thống Radio over Fiber
2.1.2. Các thành phần cơ bản của tuyến truyền dẫn RoF
Một tuyến RoF có kiến trúc như hình dưới sẽ bao gồm ít nhất là thành phần biến đổi
sóng vô tuyến sang quang, thành phần chuyển đổi quang thành sóng vô tuyến, một
tuyến quang (song hướng hay đơn hướng).

Nhóm 6


Trang 19


OFDM-RoF
RoF

Chương 2: Hệ thống truyền dẫn

• Mobile Host (MH): đó là các thiết bị đi động trong mạng đóng vai trò là
các thiết bị đầu cuối. Các MH có thể là điện thoại đi động, máy tính xách tay
có tích hợp chức năng, các PDA, hay các máy chuyên dụng khác có tích hợp
chức năng truy nhập vào mạng không dây.
• Base Station (BS): có nhiệm vụ phát sóng vô tuyến nhận được từ CS
đến các MH, nhận sóng vô tuyến nhận được từ MH truyền về CS. Mỗi BS sẽ
phục vụ một microcell. BS không có chức năng xử lý tín hiệu, nó chỉ đơn
thuần biến đổi từ thành phần điện/quang và ngược lại để chuyển về hoặc nhận
từ CS. BS gồm 2 thần phần quan trọng nhất là antenna và thành phần chuyển
đổi quang điện ở tần số RF. Tùy bán kính phục vụ của mỗi BS mà số lượng
BS để phủ sóng một vùng là nhiều hay ít. Bán kính phục vụ của BS rất nhỏ
(vài trăm mét hoặc thấp hơn nữa chỉ vài chục mét) và phục vụ một số lượng
vài chục đến vài trăm các MH. Trong kiến trúc mạng RoF thì BS phải rất đơn
giản (do không có thành phần).
• Central Station (CS): là trạm xử lý trung tâm. Tùy vào khả năng của kỹ
thuật RoF mà mỗi CS có thể phục vụ các BS ở xa hàng chục km, nên mỗi CS
có thể nối đến hàng ngàn các BS. Do kiến trúc mạng tập trung nên tất cả các
chức năng như định tuyến, cấp phát kênh,… đều được thực hiện và chia sẽ ở
CS vì thế có thể nói CS là thành phần quan trọng nhất trong mạng RoF (cũng
giống như tổng đài trong mạng điện thoại). CS được nối đến các tổng đài,
server khác.

Một tuyến quang nối giữa BS và CS nhằm truyền dẫn tín hiệu giữa chúng
với nhau.
Các thành phần của mạng được biểu diễn như hình vẽ 2.2.

Hình 2.2: CS – BS – MH một microcell trong kiến trúc RoF
2.1.3. Xu thế mạng truy nhập vô tuyến hiện tại và sự chuyển sang băng tần
milimet
a. Mạng truy nhập vô tuyến hiện đại
Mạng truy nhập vô tuyến hiện nay có thể được chia làm 2 loại là vô tuyến di động
(mobile) như mạng thông tin di dộng 1G, 2G, 3G, WiMax… và vô tuyến cố định
(fixed) như WiFi. Trong các mạng này thì người ta chú ý nhất đến 2 yếu tố đó là băng
thông và tính di động. So với mạng cố định thì mạng mobile có tính di động cao hơn
nhưng bù lại thì băng thông của nó lại thấp hơn ví dụ WiFi có thể đạt tới tốc độ
Nhóm 6

Trang 20


OFDM-RoF
RoF

Chương 2: Hệ thống truyền dẫn

108Mbps trong khi mạng 3G xu hướng chỉ đạt được 2Mbps còn mạng WiMax có thể
có tốc độ cao hơn, tính di động cũng cao nhưng vẫn còn trong giai đoạn thử nghiệm
nhờ sử dụng các kỹ thuật mới tiên tiến hơn. Như vậy ta thấy rằng xu hướng của các
mạng vô tuyến ngày nay là tính di động và băng thông ngày càng tăng để đạt được
mạng băng thông rộng.
b. Sự kết hợp giữa sợi quang và vô tuyến
Để đạt được mạng băng thông tăng, ngày nay các công nghệ truy nhập vô tuyến

đang hướng dần về kiến trúc mạng cellular, tăng tính di động cho các thiết bị trong
mạng. Trong khi đó để tăng băng thông thì người ta áp dụng các kỹ thuật truy nhập
tiên tiến hơn như CDMA, OFDM,… và có xu hướng:
• Giảm kích thước các cell lại để tăng số user lên do số lượng trạm thu
phát tăng lên theo
• Chuyển sang hoạt động ở băng tần microwave/milimeterwave (mmwave) để tránh chồng lấn phổ với các băng tần sẵn có và mở rộng băng thông
hơn nữa
Hai xu hướng trên có tác động qua lại chặt chẽ. Đối với băng tần mm ngoài những
ưu điểm của nó như: kích thước anten nhỏ, băng thông lớn, tuy nhiên ở tần số mm suy
hao của nó trong không gian rất lớn. Suy hao không gian được biểu diễn bởi công thức
sau:

LdB = 32 + 20log f + 20log d

(2.1)

trong đó f là tần số tính bằng MHz còn d là khoảng cách tính bằng km.
Dựa vào công thức trên ta thấy rằng khi tần số tăng lên bao nhiêu lần thì bán kính
của một trạm thu phát cũng bị giảm đi bấy nhiêu lần. Đối với băng tần mm (26GHz –
100GHz) thì lúc này ta thấy suy hao là rất lớn. Ơ băng tần 60GHz người ta cố gắng để
mỗi trạm thu phát (Base Station) có bán kính phục vụ trong vòng 300m gọi là các
microcell. Ta thử làm môt bài toàn tính số lượng trạm thu phát trong một bán kính
phục vụ 10km với giả sử một trạm thu phát phục vụ một microcell:
Diện tích mỗi microcell là S microcell ≈ π r 2 = π × 3002 ≈ 300.000m 2
Diện thích vùng phủ sóng là S = π × 100002 ≈ 300.000.000m 2
Số lượng microcell là n = 1000 trạm
Số lượng microcell này sẽ tăng nhanh hơn nữa nếu bán kính tăng (tỉ lệ thuận
với bình phương bán kính)
Với một số lượng lớn BS lớn như thế thì rõ ràng giá thành của mỗi BS sẽ là một vấn
đề phải giải quyết trong bài toán kinh tế. Để giảm giá thành cho các BS thì người ta

đưa ra các giải pháp :
• Cấu trúc BS thật đơn giản
• Đưa ra kiến trúc mạng tập trung
Với kiến trúc mạng tập trung, các chức năng như xử lí tín hiệu, định tuyến, chuyển
giao,… được thực hiện tại mạng trung tâm CS (Central Station), mỗi CS này phục vụ
càng nhiều BS càng tốt, nhờ kiến trúc tập trung này thì rõ ràng các BS thật sự đơn
giản, nhiệm vụ của chúng bay giờ chỉ còn là phát các tín hiệu vô tuyến nhận được từ
CS và chuyển các tín hiệu nhận được từ MH (Mobile Host) về CS. So với các mạng
cellular khác thì các BS có chức năng đơn giản hơn nhiều vì ngoài chức năng thu phát
Nhóm 6

Trang 21


OFDM-RoF
RoF

Chương 2: Hệ thống truyền dẫn

sóng thông thường thì các BTS này có thêm chức năng xử lí tín hiệu (giải điều chế rồi
truyền về các BSC bằng luồng T1/E1 được nối bằng cáp quang hay vô tuyến).
Để kết nối CS với các BS, người ta sử dụng sợi quang với những ưu điểm
không thể thay thế được đó là băng thông lớn và suy hao bé, mỗi sợi quang có thể
truyền được tốc độ hàng trăm Gbps với chiều dài lên đến hàng chục km. Các kĩ thuật
để truyền dẫn tín hiệu vô tuyến từ CS tới BS và ngược lại được gọi là kĩ thuật RoF,
còn mạng truy nhập vô tuyến dựa trên kỹ thuật RoF được gọi là mạng truy nhập vô
tuyến RoF mà ta gọi tắt là mạng RoF.
2.2. Kĩ thuật RoF
2.2.1. Mô hình truyền dẫn sợi quang hiện tại
Tuyến truyền dẫn sợi quang tổng quát được mô tả như hình 2.3. Tín hiệu được sử

dụng để truyền qua sợi quang trong trường hợp chung thường là tín hiệu xung số. Một
tuyến quang tổng quát bao gồm các thành phần cơ bản là sợi quang, một bộ phát
quang, một bộ thu quang và một bộ khuếch đại.

Hình 2.3: Mô hình truyền dẫn quang
1) Sợi quang:
Sợi quang là một môi trường điện môi được sử dụng để truyền tải thông tin từ
nguồn tới đích dưới dạng ánh sáng. Không giống như truyền dẫn với cáp đồng, sợi
quang về bản chất không có tính điện. Cụ thể là, sợi quang là một sợi thủy tinh (hoặc
chất dẻo) nhỏ hoạt động như một ống dẫn sóng. Theo định nghĩa, ống dẫn sóng là một
môi trường vật lý hay là một tuyến cho phép truyền lan sóng điện từ, giống như là ánh
sáng. Dựa trên hiện tượng vật lý phản xạ toàn phần, ánh sáng có thể truyền lan dọc
theo chiều dài sợi quang với tổn hao cực nhỏ.
Sợi quang có các vùng cửa sổ truyền dẫn suy hao thấp. Tập trung khoảng 200 nm
xung quanh vùng bước sóng 1300nm có suy hao nhỏ hơn 0,5 dB/km. Tổng băng thông
của vùng này vào khoảng 25 THz. Trong khi đó, tập trung khoảng tương tự tại bước
sóng 1550 nm có suy hao chỉ khoảng 0,2 dB/km. Tổng cộng 2 vùng cửa sổ truyền dẫn
trên cho ta băng thông tổng lên tới 50 THz. Bằng việc sử dụng các vùng suy hao thấp
cho việc truyền dẫn dữ liệu, tổn thât tín hiệu đối với một hoặc một tập hợp nhiều bước
sóng sẽ là rất nhỏ, do đó cần ít hơn các bộ khuếch đại và bộ lặp dọc theo tuyến truyền
dẫn. Thực nghiệm đã chứng minh, tín hiệu quang có thể truyền được hàng trăm km mà
không cần khuếch đại. Bên cạnh ưu điểm về băng thông khổng lồ và suy hao thấp, sợi
quang cũng đảm bảo cho tỉ số lỗi thấp. Các hệ thống thông tin sử dụng sợi quang
thường có tỉ số BER thấp hơn 10-11. Sợi quang miễn nhiễm với nhiễu điện từ và cũng
không gây ra nhiễu. Với độ linh động cao, phù hợp với các môi trường có tính ăn mòn
và có thể triển khai ở các cự li ngắn. Hơn thế nữa, kích thước và độ dày nhỏ giúp cho
Nhóm 6

Trang 22



OFDM-RoF
RoF

Chương 2: Hệ thống truyền dẫn

việc triển khai các mạng khu vực trong các tòa nhà sẽ là ưu điểm lớn hơn rất nhiều so
với cáp đồng.
2) Bộ phát quang:
Hoạt động của Laser:
Laser là cụm từ viết tắt của khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích (LASER–
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Việc phát xạ kích thích cho
phép laser tạo ra các chùm sáng kết hợp công suất cực lớn (ánh sáng chứa nhiều nhiều
bước sóng riêng biệt)
Cơ chế của phát xạ kích thích dựa trên các mức năng lượng của nguyên tử. Nguyên
tử ở trạng thái ổn định (trạng thái nền) sẽ có các điện tử ở mức năng lượng thấp nhất
có thể. Trong mỗi nguyên tử, tồn tại các mức năng lượng rời rạc gọi là các trạng thái.
Để chuyển mức của nguyên tử từ trạng thái nền, nguyên tử phải hấp thu năng lượng.
Sau đó, nguyên tử sẽ không ổn định và có xu hướng quay trở lại trạng thái nền bằng
việc phát xạ ra photon – phân tử ánh sáng.
Với một số chất nhất định, các trạng thái của chúng là gần ổn định, có nghĩa là
chúng có xu hướng ở các trạng thái kích thích lâu hơn mà không bị phát xạ ngay lập
tức. Bằng việc hấp thụ đủ năng lượng (dưới dạng sóng bơm quang hoặc dòng điện) đủ
lâu đối với một chất có các trạng thái gần ổn định, hiện tượng đảo mật độ sẽ xảy ra,
đồng nghĩa với việc có nhiều điện tử hơn ở trạng thái kích thích hơn là trạng thái nền.
Sự đảo ngược này cho phép chất đó phát xạ nhiều ánh sáng hơn là nó hấp thụ.
Hình 2.4 mô tả cấu trúc chung của một laser, bao gồm 2 gương tạo thành một hốc,
môi trường laser và thiết bị kích thích. Thiết bị kích thích sử dụng dòng điện cho môi
trường laser – được tạo từ các chất có trạng thái gần ổn định. Dòng điện sẽ kích thích
các điện tử trong môi trường laser và khi điện tử trở lại trạng thái nền nó sẽ phát xạ ra

một photon ánh sáng.
Phát xạ kích thích xảy ra khi một photon tương tác với một điện tử bị kích thích.
Photon sẽ làm cho điện tử giải phóng năng lượng và trở lại trạng thái nền. Trong quá
trình đó, điện tử sẽ giải phóng ra một photon khác có cùng hướng và tần số với photon
kích thích. Các photon có tần số tương ứng với tần số cộng hưởng sẽ được phát xạ.
Giữa phát xạ bình thường và phát xạ kích thích , ánh sáng tại tần số lựa chọn trước xây
dựng cường độ trước khi năng lượng biến mất khỏi môi trường nhanh như là khi nó
được đưa vào. Các gương hỗ trợ cho phát xạ kích thích sản sinh ra các ánh sáng cường
độ cao. Một trong 2 gương là phát bộ phận, do đó các photon sẽ thoát khỏi buồng dưới
dạng các chùm sáng hẹp tập trung. Bằng cách thay đổi chiều dài của buồng sẽ điều
chỉnh được tần số của ánh sáng phát xạ.

Nhóm 6

Trang 23


OFDM-RoF
RoF

Chương 2: Hệ thống truyền dẫn

Hình 2.4: Cấu trúc chung của một laser
Tần số của photon phát xạ phụ thuộc vào sự thay đổi mức năng lượng của nó và
được tính theo công thức :
(2.2)
với f là tần số photon, Ei là trạng thái kích thích của điện tử, Ef là trạng thái nền của
điện tử, h là hằng số Planck (6,626 x 10-34 J.s)
Các laser diode bán dẫn
Loại laser phù hợp nhất với mạng quang là laser diode bán dẫn. Trong vật liệu bán

dẫn, các điện tử có thể tồn tại ở vùng dẫn hoặc vùng hóa trị. Vùng hóa trị và vùng dẫn
tương tự như trạng thái nền và trạng thái kích thích của điện tử. Vùng hóa trị đại diện
cho một mức năng lượng mà tại đó một điện tử sẽ không tự do thoát khỏi nguyên tử.
Vùng dẫn đại diện cho một mức năng lượng mà tại đó một điện tử sẽ trở thành một
điện tử tự do và có thể di chuyển có hướng để tạo ra dòng điện. Vùng năng lượng giữa
vùng dẫn và vùng hóa trị là vùng cấm. Một điện tử có thể không chiếm bất kì mức
năng lượng nào trong vùng cấm. Khi một điện tử di chuyển từ vùng hóa trị sang vùng
dẫn, nó sẽ tạo ra một lỗ trống trong vùng hóa trị. Khi điện tử chuyển từ vùng dẫn về
vùng hóa trị, nó sẽ kết hợp với lỗ trống và phát xạ tự phát. Tần số của photon được
tính theo công thức ở trên với Ei – Ef là năng lượng vùng cấm
Một chất bán dẫn có thể pha tạp với các tạp chất để gia tăng số lượng điện tử hay lỗ
trống. Bán dẫn loại n được pha với tạp chất để tăng số lượng điện tử. Các điện tử này
sẽ duy trì ở vùng dẫn. Bán dẫn loại p được pha với tạp chất để tăng số lượng lỗ trống ở
vùng hóa trị. Tiếp giáp p-n sẽ được hình thành bởi lớp vật liệu bán dẫn loại p và vật
liệu bán dẫn loại n.
Với mục đích tạo ra phát xạ kích thích, điện thế được đặt vào tiếp giáp p-n để phân
cực thiết bị và làm cho các điện tử ở vùng n kết hợp với các lỗ trống ở vùng p, dẫn tới
năng lượng ánh sáng được giải phóng tại tần số có liên quan tới vùng cấm của thiết bị.
Bằng việc sử dụng các vật liệu bán dẫn khác nhau, ánh sáng với dải tần số thay đổi có
thể được sinh ra. Tần số thực tế của ánh sáng phát xạ ra bởi laser còn được quyết định
bởi chiều dài hốc cộng hưởng.
Điều chế quang
Nhóm 6

Trang 24


OFDM-RoF
RoF


Chương 2: Hệ thống truyền dẫn

Để truyền dữ liệu qua sợi quang, thông tin phải được mã hóa hay điều chế trên tín
hiệu laser. Các kĩ thuật tương tự bao gồm điều biên AM, điều tần FM hay điều pha
PM. Các kĩ thuật số bao gồm khóa dịch biên độ ASK, khóa dịch tần FSK và khóa dịch
pha PSK. Trong các kĩ thuật trên, kĩ thuật ASK nhị phân được sử dụng chủ yếu vì tính
đơn giản của nó. Kĩ thuật ASK nhị phân hay còn gọi là khóa tắt-mở (OKK), tín hiệu sẽ
được chuyển giữa 2 mức công suất. Mức công suất thấp hơn đại diện cho bit 0 trong
khi mức công suất cao hơn đại diện cho bit 1.
Trong các hệ thống sử dụng OOK, điều chế tín hiệu cần được thực hiện đơn giản
bằng việc tắt hoặc mở laser (điều chế trực tiếp). Tuy nhiên, điều này sẽ dẫn tới hiện
tượng chirp hay là sự biến đổi biên độ và tần số của laser khi laser được bật. Một
phương pháp khác được sử dụng cho tốc độ bit cao (>=10Gbps) là sử dụng điều chế
ngoài hay là điều chế ánh sáng đã ra khỏi laser. Với phương pháp này, người ta thường
sử dụng giao thoa kế Mach Zehnder hay các bộ điều chế hấp thụ điện.
3)

Bộ thu quang:

Với kĩ thuật tách sóng trực tiếp, một bộ tách quang sẽ chuyển đổi dòng photon vào
thành dòng điện. Dòng điện sau đó được khuếch đại và đưa qua thiết bị quyết định
ngưỡng. Quyết định chọn bit 0 hay bit 1 pục thuộc vào dòng thu được ở mức trên hay
dưới ngưỡng định trước trong suốt thời gian 1 bit. Thiết bị tách sóng cơ bản dùng cho
các mạng quang tách sóng trực tiếp là diode quang PN (có 1 tiếp giáp p-n), diode kiểu
PIN và diode kiểu thác APD. Ở dạng đơn giản nhất, các photodiode là một tiếp giáp pn phân cực ngược. Thông qua hiệu ứng quang điện, ánh sáng vào tiếp giáp sẽ tạo ra
các cặp điện tử - lỗ trống ở cả vùng p và n trong photodiode. Các điện tử được giải
phóng trong vùng p sẽ vượt qua vùng n và ngược lại, do đó sinh ra dòng điện.
3. Bộ khuếch đại quang:
Mặc dù tín hiệu quang có thể truyền với khoảng cách lớn trước khi cần phải khuếch
đại nhưng các mạng quang vẫn tận dụng các ưu điểm của các bộ khuếch đại quang.

Việc khuếch đại toàn quang có thể khác so với khuếch đại quang điện ở chỗ nó chỉ
thực hiện việc khuếch đại công suất tín hiệu chứ không định đạng hay định thời lại tín
hiệu. Kiểu khuếch đại này gọi là 1R và là hoàn toàn trong suốt đối với dữ liệu (quá
trình khuếch đại độc lập với kiểu điều chế tín hiệu). Các bộ khuếch đại 1R là sự lựa
chọn cho các mạng toàn quang trong tương lai. Các bộ khuếch đại quang-điện có thể
thực hiện được cả 3 chức năng (3R) là tái tạo, định dạng và định thời. Tín hiệu quang
đi vào bộ khuếch đại quang-điện đầu tiên sẽ được chuyển đổi sang miền điện và trước
khi truyền đi sẽ lại được chuyển sang miền quang. Việc định dạng lại tín hiệu sẽ định
lại dạng xung ban đầu của mỗi bit, loại bỏ đi nhiễu. Việc định dạng lại chủ yếu áp
dụng cho tín hiệu được điều chế số nhưng trong một vài trường hợp nó vẫn được áp
dụng với các tín hiệu tương tự. Việc định thời lại tín hiệu sẽ đồng bộ bit thời gian
chuẩn và tốc độ bit và chỉ áp dụng cho tín hiệu được điều chế số.
Khuếch đại quang sử dụng nguyên lý phát xạ kích thích, tương tự như nguyên lý
được sử dụng trong laser. Hai loại bộ khuếch đại quang cơ bản là bộ khuếch đại quang
bán dẫn và bộ khuếch đại quang sợi pha tạp phần tử đất hiếm (như erbium, holmium,
Nhóm 6

Trang 25