Tính toán tối ưu hiệu năng hệ thống quang không dây FSO

Mục lục:

Nhóm 5

Trang 1


Tính toán tối ưu hiệu năng hệ thống quang không dây FSO

Phụ lục hình ảnh:
Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống FSO
thông thường

Hình 1.2: Sơ đồ khối của hệ thống
FSO

Hình 1.3: Những thách thức đối với
hệ thống FSO

Hình 2.1: Kênh không khí với các
xoáy lốc hỗn loạn

Hình 2.2: Ảnh hưởng của sự nhiễu
loạn không khí lên tín hiệu thu được

Trang 4
Trang 4
Trang 7
Trang 11

Trang 12

Hình 2.3: (a) Xung quang lan truyền
qua môi trường nhiễu loạn khí quyển
bị biến dạng; (b) Sự giãn xung làm
tăng lỗi bit

Hình 2.4: Mô hình lệch hướng của
chùm tia

Hình 3.1: Mô hình tuyến thông tin
quang không dây N kênh

Nhóm 5

Trang 2

Trang 12
Trang 13
Trang 14


Tính toán tối ưu hiệu năng hệ thống quang không dây FSO

Chương I: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG
QUANG KHÔNG DÂY FSO
1.1. Lịch sử của FSO
Truyền quang qua không gian tự do (FSO) hay giao tiếp quang không dây
được giới thiệu lần đầu bởi Alexander Graham Bell ở cuối thế kỷ 19. Thí
nghiệm FSO của Bell đó là ông đã chuyển đổi tín hiệu âm thanh (giọng nói)

thành tín hiệu điện thoại và phát chúng giữa các bộ thu phát qua không gian tự
do dọc theo một luồng sáng trong khoảng cách khoảng 183m. Thiết bị thí
nghiệm của ông được gọi là “photophone”, Bell coi trọng công nghệ quang này
hơn là điện thoại – phát minh vĩ đại của ông vì công nghệ này không cần đến
dây dẫn cho việc truyền tín hiệu.
Mặc dù photophone của Bell không bao giờ được đưa vào thương mại hóa
nhưng nó đã giải thích các đặc tính cơ bản của truyền thông quang không dây.
Sau này, vào thời gian đầu, các công nghệ FSO xuất hiện lần đầu tiên vào
những năm 1960 trong các dự án liên quan đến quan sự và không gian (NASA).
Đến cuối những năm 1980, những sản phẩm thương mại đã xuất hiện nhưng
không thành công vì những rào cản công nghệ. Cự lý ngắn, dung lượng thấp,
vấn đề về giữ thẳng hàng giữa bộ phát và bộ thu cũng như những thách thức về
thời tiết, môi trường truyền dẫn là những hạn chế chính của hệ thống FSO vào
thời điểm đó.
1.2 Giới thiệu
FSO (hay truyền thông quang không dây) là công nghệ viễn thông sử dụng
sự truyền lan ánh sáng trong không gian để truyền tín hiệu giữa hai điểm. Đây là
công nghệ truyền thông băng rộng tầm nhìn thẳng, trong đó tín hiệu quang, thay
vì truyền trong sợi quang, được phát đi trong một búp sóng quang qua không
gian. Một mạng truyền thông quang không dây bao gồm các bộ thu-phát quang
(gồm một khối thu và một khối phát) cung cấp khả năng thông tin hai chiều.
Mỗi khối phát quang sử dụng một nguồn quang và một thấu kính để phát tín
hiệu quang qua không gian tới khối thu. Tại phía thu, một thấu kính khác được
sử dụng để thu tín hiệu, thấu kính này được nối với khối thu có độ nhạy cao qua
một sợi quang. Một tuyến FSO bao gồm hai bộ thu-phát được đặt trong tầm
nhìn thẳng. Thông thường, các bộ thu phát được gắn trên nóc các tòa nhà hoặc
sau các cửa sổ. Cự ly hoạt động của một tuyến FSO từ vài trăm mét tới vài km.

Nhóm 5


Trang 3


Tính toán tối ưu hiệu năng hệ thống quang không dây FSO

Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống FSO thông thường
Các đặc điểm cơ bản của hệ thống FSO như sau:
Băng thông điều chế rộng; Búp sóng hẹp; Không yêu cầu cấp phép phổ tần;
Rẻ; Triển khai nhanh chóng; Phụ thuộc vào thời tiết.
Ngoài các điểm trên, các đặc điểm khác của FSO bao gồm:
Lợi ích từ truyền thông sợi quang hiện tại; không bị ảnh hưởng của nhiễu
điện từ; không giống như hệ thống có dây, FSO là một hệ thống không cố định
có thể thu hồi tài sản; phát xạ phải nằm trong giới hạn an toàn quy định; trọng
lượng nhẹ và nhỏ gọn; tiêu thụ điện năng thấp; yêu cầu tầm nhìn thẳng và liên
kết chặt chẽ như là một kết quả của việc búp sóng hẹp.
1.3 Mô hình hệ thống FSO
Sơ đồ khổi của một tuyến FSO điển hình được thể hiện trên hình 1.2. Giống
như bất kỳ công nghệ truyền thông nào, hệ thống FSO gồm ba phần: Bộ phát,
kênh truyền và bộ thu.

Hình 1.2: Sơ đồ khối của hệ thống FSO
Nhóm 5

Trang 4


Tính toán tối ưu hiệu năng hệ thống quang không dây FSO
1.3.1 Bộ phát
Phần tử này có nhiệm vụ chính là điều chế dữ liệu gốc thành tín hiệu quang
sau đó truyền qua không gian tới bộ thu. Phương thức điều chế được sử dụng

rộng rãi tại bộ phát là điều chế cường độ (IM), trong đó cường độ phát xạ của
nguồn quang sẽ được điều chế bởi số liệu cần truyền đi. Việc điều chế được
thực hiện thông qua việc thay đổi trực tiếp cường độ của nguồn quang tại bộ
phát hoặc thông qua bộ điều chế ngoài như bộ giao thoa MZI. Việc sử dụng một
bộ điều chế ngoài nhằm đảm bảo tốc độ dữ liệu đạt được cao hơn so với bộ điều
chế trực tiếp. Các thuộc tính khác của trường bức xạ quang như pha, tần số và
trạng thái phân cực cũng có thể được sử dụng để điều chế với cùng với dữ
liệu/thông tin thông qua việc sử dụng bộ điều chế ngoài.
1.3.2 Bộ thu
Bộ thu hỗ trợ việc khôi phục các dữ liệu đã được phát đi từ phía phát. Bộ
thu bao gồm các thành phần sau:
a) Bộ thu tín hiệu quang: tập hợp và tập trung các phát xạ quang tới bộ tách
sóng quang. Khẩu độ (độ mở) của bộ thu lớn sẽ giúp tập hợp được nhiều phát xạ
quang vào bộ tách sóng quang.
b) Bộ lọc thông dải quang : bộ lọc thông dải làm giảm lượng bức xạ nền.
c) Bộ tách sóng quang: PIN hoặc APD chuyển đổi trường quang đến thành tín
hiệu điện.
d) Mạch xử lý tín hiệu: có chức năng khuếch đại, lọc và xử lý tín hiệu để đảm
bảo tính chính xác cao của dữ liệu được khôi phục.
1.4 Ưu và nhược điểm của hệ thống FSO
1.4.1 Ưu điểm:
 Không yêu cầu cấp phép phổ tần vô tuyến.
 Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ.
 Dễ dàng triển khai lắp đặt
 Khả năng an toàn cao
1.4.2 Nhược điểm:
 Chịu ảnh hưởng mạnh của thời tiết tới đường truyền.
 Phạm vi đường truyền hẹp. Nếu muốn truyền tín hiệu giữa hai điểm xa
nhau thì phải sử dụng chuyển tiếp.
 Suy hao và nhiễu lớn.

Nhóm 5

Trang 5


Tính toán tối ưu hiệu năng hệ thống quang không dây FSO
1.5 Ứng dụng của hệ thống FSO
• Kết nối tốc độ cao giữa các tòa nhà với FSO:
Hiện nay, các doanh nghiệp đang gặp phải vấn đề quá tải lưu lượng mạng
tại các kết nối giữa các tòa nhà. Với các doanh nghiệp sử dụng các mạng nội bộ
dựa trên tiêu chuẩn Gigabit Ethernet, các kết nối 2.048 (hoặc 1.544) Mbit/s giữa
các tòa nhà sẽ làm hạn chế lưu lượng kết nối:
•

Tắc nghẽn về lưu lượng.
Yêu cầu xin phép và cấp giấy phép.
Việc đào rãnh, cống và đặt cáp.
Vấn đề liên quan tới hợp đồng thuê (cho thuê) tòa nhà.
Tốn thời gian lắp đặt.
Chi phí cao.
Hệ thống FSO và vấn đề an ninh mạng:

Mặc dù FSO là công nghệ không dây nhưng nó không phát quảng bá tới bất
kỳ người nào và tất cả mọi người. FSO phát búp sóng ánh sáng hẹp, tần số rất
cao tới một nơi xác định. Do đó rất khó cho một cá nhân nào đó có thể thu trộm
thông tin mà không bị phát hiện.
1.6 Các thách thức đối với hệ thống FSO
Giới hạn cơ bản của FSO do môi trường truyền dẫn gây ra. Ngoài việc tuyết
và mưa có thể làm cản trở đường truyền quang, FSO chịu ảnh hưởng mạnh bởi
sương mù và sự nhiễu loạn của không khí. Những thách thức chính trong việc

thiết kế các hệ thống FSO như hình 1.3:

Nhóm 5

Trang 6


Tính toán tối ưu hiệu năng hệ thống quang không dây FSO
Hình 1.3 Những thách thức đối với hệ thống FSO
o

o
o

o

o

Sương mù: Sương mù là một thách thức chính. Sương mù là hơi nước
được tập hợp từ những giọt nước nhỏ có đường kính vài trăm micro mét
nhưng có thể làm thay đổi đặc tính truyền lan của ánh sáng hoặc ngăn cản
hoàn toàn sự truyền lan của ánh sáng thông qua sự kết hợp của các hiện
tượng hấp thụ, tán xạ và phản xạ.
Sự nhấp nháy: Sự nhấp nháy là sự biến đổi về không gian của cường độ
sáng gây ra bởi sự hỗn loạn không khí.
Sự trôi búp: Sự trôi búp xảy ra khi luồng gió hỗn loạn (gió xoáy) lớn hơn
đường kính của búp sóng quang gây ra sự dịch chuyển chậm nhưng đáng
kể của búp sóng quang. Sự trôi búp cũng có thể là kết quả của các hoạt
động địa chấn gây ra sự dịch chuyển tương đối giữa vị trí của laser phát
và bộ thu quang.

Giữ thẳng hướng phát-thu khi tòa nhà dao động: Giữ thẳng hướng giữa
khối phát và khối thu là rất quan trọng nhằm đảm bảo sự thành công của
việc truyền tín hiệu.
Sự an toàn cho mắt: Với sự gia tăng của các hệ thống truyền thông quang
vô tuyến sử dụng các búp laser hướng về các vùng dân cư mật độ cao, sự
an toàn cho mắt là vấn đề đáng được quan tâm.

Nhóm 5

Trang 7


Tính toán tối ưu hiệu năng hệ thống quang không dây FSO

Chương II: Các vấn đề ảnh hưởng tới suy hao và
hiệu năng của hệ thống FSO
2.1 Các yếu tố ảnh hưởng lên hiệu năng hệ thống FSO
 Nhiễu lượng tử
Đối với đi-ốt tách quang APD, ngoài nguồn nhiễu chủ yếu là nhiễu lượng
tử, còn có một dạng nhiễu liên quan với nhiễu thừa được tạo ra bởi quá trình
nhân thác ngẫu nhiên. Dạng nhiễu F(g) này được định nghĩa là tỉ số của nhiễu
thực tế được tạo ra trong một đi-ốt tách quang thác với nhiễu tồn tại khi tất cả
các cặp sóng mang được nhân bởi g.


Nhiễu nhiệt

Nhiễu nhiệt, hay còn gọi là nhiễu Johnson hoặc nhiễu Nyquist, được gây ra
bởi sự rối loạn nhiệt độ của điện tích các sóng mang đi qua một điện trở. Ở các
nhiệt độ trên nhiệt độ 0 tuyệt đối, năng lượng nhiệt của các điện tích sóng mang

trong bất cứ điện trở nào cũng dẫn tới sự thay đổi trong mật độ điện tích cục bộ.
Những điện tích thay đổi này gây ra các gradient điện áp cục bộ mà có thể tạo ra
một dòng điện tương ứng trong phần còn lại của mạch điện.









Nhiễu dòng tối và nhiễu nền
Sự lệch chùm sáng.
Sự mở rộng của chùm sáng : Mở rộng chùm sự phân kỳ của chùm sáng
do tán xạ. Do đó làm giảm mật độ công suất thu được.
Sự nhấp nháy của chùm sáng : Sự thay đổi mật độ công suất trong không
trung tại mặt phẳng thu gây ra bởi sự can thiệp của nhiễu nhỏ có trong
chùm quang.
Sự suy giảm tính nhất quán trong không gian – Sự nhiễu loạn của không
khí cũng gây ra tổn thất về tính nhất quán (kết hợp) về pha của chùm
quang. Điều này đặc biệt ảnh hưởng mạnh cho các bộ thu làm việc dựa
trên nguyên lý trộn photon (ví dụ trong bộ thu nhất quán).
Sự biến động phân cực – Kết quả từ sự thay đổi trạng thái của phân cực
của chùm quang thu được sau khi đi qua môi trường nhiễu loạn. Tuy
nhiên, lượng phân cực biến động là không đáng kể khi một bức xạ
quangngang đi qua vùng không khí nhiễu loạn.

Nhóm 5


Trang 8


Tính toán tối ưu hiệu năng hệ thống quang không dây FSO
2.2. Suy hao trong FSO
2.2.1. Môi trường truyền dẫn
Kênh truyền dẫn quang khác so với kênh nhiễu Gauss thông thường, tín hiệu
đầu vào của kênh, x(t), thể hiện công suất chứ không phải là biên độ. Điều này
dẫn tới hai điều kiện ràng buộc trên tín hiệu được truyền: x(t) phải không âm và
giá trị trung bình của x(t) không được vượt quá một giá trị quy định.
Bảng 2.1. Các phần tử khí có trong kênh truyền
Thành phần

Tỷ lệ thể tích (%)

Nitrogen (N2)

78,09

Oxygen (O2)

20,95

Argon (Ar)

0,93

Carbon dioxide (CO2)

0,03


Phần triệu (ppm)

Hơi nước (H2O)

40 - 40,000

Neon (Ne)

20

Helium (He)

0,2

Methane (CH4)

1,5

Krypton (Kr)

1,1

Hydrogen (H2)

1

Nitrous oxide (N2O)

0.6


Carbon monoxide (CO)

0.2

Ozone (O3)

0.05

Xenon (Xe)

0,009

Với sự phân bố về kích thước của các dải thành phần khí quyển từ micromét
tới centimet, một trường quang đi qua khí quyển sẽ bị tán xạ hoặc hấp thụ và
gây ra suy hao.
2.2.2. Tổn hao công suất
Khi một bức xạ quang đi qua bầu khí quyển, các photon bị biến mất (hấp
thụ) do các thành phần như hơi nước, khí CO2, sương mù, tầng Ozon…, và
năng lượng chuyển thành nhiệt năng trong khi đó các thành phần khác đi qua
không mất mát năng lượng nhưng hướng truyền lan ban đầu của chúng bị thay
đổi (tán xạ). Sự lan truyền của một trường quang qua bầu khí quyển được mô tả
Nhóm 5

Trang 9


Tính toán tối ưu hiệu năng hệ thống quang không dây FSO
bởi định luật luật Beer – Lambert. Chùm sáng còn bị trải rộng trong khi truyền
do đó kích thước chùm sáng nhận được là lớn hơn so với kích thước bộ thu. Các

yếu tố này được kết hợp với các ảnh hưởng khác sẽ được đề cập sau đây gây ra
sự khác nhau giữa công suất phát ra và công suất thu được.
2.2.3. Suy hao kênh truyền không khí
Suy hao khi truyền tín hiệu trong bầu khí quyển là hệ quả của quá trình hấp
thụ và tán xạ. Nồng độ của vật chất trong khí quyển gây ra việc suy hao tín hiệu
khác nhau theo không gian và thời gian, và sẽ phụ thuộc vào điều kiện thời tiết
của từng vùng.
a) Hấp thụ: Xảy ra khi có một sự tương tác giữa các photon và các phần tử khí
trong quá trình truyền lan trong khí quyển. Một số photon bị hấp thụ và năng
lượng của chúng biến thành nhiệt. Hệ số hấp thụ phụ thuộc rất nhiều vào các
loại khí và mật độ của chúng. Sự hấp thụ phụ thuộc bước sóng và do đó có tính
chọn lọc. Điều này dẫn tới bầu không khí có các vùng trong suốt dải bước sóng
có độ hấp thụ tối thiểu được xem như là cửa sổ truyền. Tuy nhiên, các bước
sóng sử dụng trong FSO về cơ bản được chọn để trùng với các cửa sổ truyền lan
trong không khí, kết quả là hệ số suy hao được chi phối bởi sự tán xạ.
b) Tán xạ: là kết quả của việc phân bố lại góc trường quang khi có và không có
sự thay đổi bước sóng. Ảnh hưởng của tán xạ phụ thuộc vào bán kính r của các
hạt (sương mù, hơi nước) gặp phải trong quá trình truyền lan. Một cách mô tả
hiện tượng này là xét tham số kích cỡ . Nếu thì tán xạ là tán xạ Rayleigh, nếu
là tán xạ Mie và nếu thì tán xạ có thể thuộc loại khác (quang hình học). Quá
trình tán xạ đối với các hạt khác nhau có mặt trong bầu khí quyển được tóm tắt
trong bảng 2.2.
Bảng 2.2. Bán kính và quá trình tán xạ của các hạt tán xạ điển hình có trong
không khí tại = 850 nm
Kiểu

Bán kính

Kích cỡ tham số x0


Quá trình tán xạ

Phần tử khí

0,0001

0,00074

Rayleigh

Hạt bụi

0,01 – 1

0,074 – 7,4

Rayleigh – Mie

Hạt sương

0,01 – 1

7,4 – 147,8

Mie – hình học

Mưa

100 – 10000


740 – 74000

Hình học

Tuyết

1000 – 5000

7400 – 37000

Hình học

Mưa đá

5000 – 50000

37000 – 370000

Hình học

Nhóm 5

Trang 10


Tính toán tối ưu hiệu năng hệ thống quang không dây FSO
2.3 Nhiễu loạn không khí
Chùm tia quang truyền qua khí quyển chịu tác động của nhiễu loạn khí
quyển với pha và biên độ biến thiên ngẫu nhiên. Nhiễu loạn là một trạng thái rối
loạn của dòng khí quyển gây ra bởi sự thay đổi nhiệt độ trong khí quyển. Nhiễu

loạn khí quyển bao gồm nhiều khu vực dòng xoáy hình cầu với đường kính và
chỉ số khúc xạ khác nhau. Các chùm tia quang truyền qua khí quyển ở không
gian và thời gian khác nhau với chiết suất khác nhau, các chỉ số này không đồng
nhất ở các quy mô khác nhau. Sự không đồng nhất với quy mô lớn sẽ tạo ra hiện
tượng khúc xạ khiến chùm tia phát đi lệch so với hướng truyền ban đầu]. Do đó,
ở quy mô lớn thì hiệu ứng chủ yếu là làm sai lệch pha của sóng truyền đi. Sự
không đồng nhất với quy mô nhỏ tao ra hiệu ứng nhiễu xạ và làm sai lệch biên
độ của sóng gây ra sự biến thiên của biên độ.
Nhiễu loạn không khí dẫn tới sự thay đổi ngẫu nhiên của chỉ số khúc xạ
không khí, n dọc theo tuyến đường truyền dẫn của bức xạ quang qua môi trường
không khí. Những sự thay đổi ngẫu nhiên về nhiệt độ là một hàm của áp suất
khí quyển, độ cao so với mặt nước biển, và tốc độ gió. Mức độ nhỏ nhất và lớn
nhất của các xoáy lốc trong không khí, tương ứng được gọi là tỷ lệ trong (inner
scale) và tỷ lệ ngoài (outer scale) của sự nhiễu loạn. thường nằm trong
khoảng một vài milimet trong khi có thể lên tới vài mét Các xoáy lốc yếu dạng
thấu kính được mô tả như trong hình 2.1, gây ra tác động xuyên nhiễu ngẫu
nhiên giữa các vùng khác nhau của búp sóng truyền dẫn làm cho dạng sóng bị
biến dạng.

Hình 2. 1. Kênh không khí với các xoáy lốc hỗn loạn

Nhóm 5

Trang 11


Tính toán tối ưu hiệu năng hệ thống quang không dây FSO
2.3.1. Sự thăng giáng cường độ
Sự nhiễu loạn của bầu khí quyển phụ thuộc vào áp suất khí quyển, tốc độ
gió và sự thay đổi của chỉ số khúc xạ. Yếu tố này làm cho biên độ và pha của tín

hiệu bên thu thăng giáng liên tục (nhấp nháy), kết quả là cho ta hình ảnh “nhảy
múa” trên màn hình máy thu như minh họa trong hình 2.2

Hình 2. 2. Ảnh hưởng của sự nhiễu loạn không khí lên tín hiệu thu được
2.3.2. Sự giãn xung
Môi trường nhiễu loạn không khí làm biến dạng xung quang lan truyền, giả
sử rằng dạng sóng đầu vào là xung Gauss. Sự biến dạng này gây ra sự thay đổi
về các khoảng thời gian tới của xung quang đến máy thu, điều này làm cho
xung bị giãn rộng ra. Do đó, tốc độ bit mong muốn của đường truyền quang bị
suy giảm.

Hì
nh 2. 3. (a) Xung quang lan truyền qua môi trường nhiễu loạn khí quyển bị
biến dạng; (b) Sự giãn xung làm tăng lỗi bit

Nhóm 5

Trang 12


Tính toán tối ưu hiệu năng hệ thống quang không dây FSO
2.4. Lệch hướng phát-thu
Lỗi định hướng (sự lệch hướng) là tổng độ dịch giữa tâm chùm tia và tâm
khẩu độ thu. Sự lệch hướng được tổng quát gồm 2 yếu tố: sự lệch hướng cố
định và sự lệch hướng ngẫu nhiên.
Trong đường truyền thẳng của hệ thống FSO, độ chính xác định hướng là
một vấn đề quan trọng trong việc xác định hiệu năng đường truyền và độ tin
cậy. Tuy nhiên, gió và sự dãn do nhiệt độ dẫn tới sự rung lắc tòa nhà, điều này
gây ra sự lệch hướng và fading tín hiệu tại phía thu . Thu được một mô hình
thống kê mới cho sự lệch hướng, mà xác định kích thước khẩu độ thu, độ rộng

chùm tia, và phương sai jitter.

Hình 2.4 Mô hình lệch hướng của chùm tia

Nhóm 5

Trang 13


Tính toán tối ưu hiệu năng hệ thống quang không dây FSO
eSNRN

Chương III: Tính toán các thông số tối ưu hiệu năng
hệ thống FSO trong điều kiện khí hậu tại Việt Nam

Máy thu quangN
Bộ phận tập trung ánh sáng thu

Máy thu quang 1

3.1. Mô hình tuyến và tỉ số tín hiệu trên nhiễu eSNR tại máy thu
eSNR1

W
D
M

Hình 3.1 mô tả mô hình tuyến thông tin quang không dây N kênh với ảnh
hưởng của hiện tượng hấp thụ và tán xạ từ môi trường được xây dựng để tính
toán. Sơ đồ biểu diễn tín hiệu được truyền dẫn 1 chiều, chiều ngược lại hoàn

toàn tương tự.
Ảnh hưởng của môi trường: hấp thu và tán xạ

3.2 Tính toán các thông số tối ưu hiệu năng hệ thống FSO trong điều kiện
khí hậu tại Việt Nam
Những năm gần đây, có nhiều nghiên cứu sử dụng lí thuyết truyền bức xạ
điện từ để mô
kênh tuyến
tuyến thông
thôngtin
tinquang
quangkhông
khôngdây
dây.
Tuy nhiên,
Hìnhhình
3.1: hoá
Mô hình
N kênh
phương pháp này khá phức tạp chỉ thật sự phù hợp với hiện tượng đa tán xạ Mie
kết hợp trong thời tiết sương mù ở các nước Anh, Mỹ, Pháp, Đức, Nhật... Ở
Việt Nam rất ít khi xảy ra sương mù, điều kiện thời tiết bất lợi cho FSO lớn nhất
là mưa. Vì vậy, để đơn giản quá trình tính toán tuyến mà vẫn bảo đảm sai số
nằm trong phạm vi cho phép, bài báo tập trung vào các mô hình bán thực
nghiệm, xây dựng lưu đồ thuật toán để tính toán và tối ưu các thông số của
Tín hiệu vàoMáy
kênhphát
1 quang 1
tuyến FSO trong điều kiện khí hậu Việt Nam.
Bộ phận tập trung ánh sáng phát

Việc truyền của ánh sáng trong môi trường không khí được mô tả bằng định
W
luật Beer Lamber như biểu thức:
D
M
Nhóm 5

Trang 14

Tín hiệu vào Máy
kênhphát
N quang N

Tín hiệu ra
kênh 1
Tín hiệu ra
kênh N


Tính toán tối ưu hiệu năng hệ thống quang không dây FSO
τ (λ , L ) =

P (λ , L )
= exp[−γ (λ ) L)]
P (λ ,0)

Trong đó: λ là bước sóng làm việc;

τ (λ )


(1)
λ

là hàm truyền theo ;

P(λ ,0)

là công

P (λ , L )

suất của máy phát,
là công suất cách máy phát một khoảng L; γ(λ) là hệ
số suy hao tổng cộng trên 1 đơn vị chiều dài. γ(λ) bao gồm các thành phần suy
hao do tán xạ và hấp thụ.
Trong điều kiện Việt Nam là tổng của các thành phần sau:
γ(λ) = αmưa + β(λ)
Với

α
mưa

(2)

là suy hao do mưa được tính theo quan hệ Carbonneau :

αmưa = 1,076*R0,67 (dB/km)

(3)


R là lượng mưa trung bình (mm/h) tại khu vực lắp đặt tuyến FSO.
Suy hao do tán xạ được xác định theo quan hệ Kruse như sau:
(4)
Trong đó V là tầm nhìn, là khoảng cách mà tại đó cường độ của quang giảm
đi 5% so với cường độ quang tại nơi phát. Các công trình nghiên cứu và thực
nghiệm cho thấy giá trị hệ số p được cho theo độ phân bố kích thước hạt và
được tính theo biểu thức :

1,6 nếu V>50 km
1,3 nếu 6 kmp = 0,16V+0,34 nếu 1 kmV-0,5nếu 0,5 km0nếu V<0,5 km

Tầm nhìn theo bảng số liệu sau:

1,6
1,6 nếu
nếu V>50
V>50 km
km
1,3
1,3 nếu
nếu 66 kmkmkm

qq =0,16V+0,34
=0,16V+0,34 nếu
nếu 11 km

kmkm
Nhóm 5

V-0,5nếu
V-0,5nếu
0,5
kmkm
Trang0,5
15km0nếu
0nếu V<0,5
V<0,5 km
km

(5)


Tính toán tối ưu hiệu năng hệ thống quang không dây FSO
Mưa to trên 180 Mưa
50- Mưa nhỏ hơn Mưa nhỏ tới Trời
mm/h
100mm/h
50mm/h
mưa vừa
xanh

Tầm
nhìn(Km)

0,5

1

2

4

>10

Tổn hao công suất PLoss trên tuyến FSO có độ dài L được xác định từ (3) và (4):
PLoss = αmưa× L +10lg(β(λ) × L)

(6)

Suy ra công suất đầu vào máy thu (Pr) được tính như sau:
Pr = Pt – PLoss

(7)

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu điện (eSNR) trong trường hợp sử dụng máy thu tách
sóng trực tiếp dùng photodiode PIN được trình bày theo biểu thức

R P2 Pr2

eSNR =

{2qR p Pr + 2q( I DB + I DS ) +

4 KT
}Be
RL

(8)

Rp [A/W] là độ nhạy của máy thu, q là điện tích của hạt proton, IDB, IDS [A], Be
[Hz]: lần lượt là dòng tối khối, dòng tối bề mặt và độ rộng băng tần điện của máy
thu, RL là điện trở tải; T [0K] là nhiệt độ tuyệt đối.
Giả sử sử dụng bộ thu quang gần lý tưởng , nhiễu nhiệt rất nhỏ và dòng tối bằng
0 suy ra tỷ số tín hiệu trên nhiễu điện giới hạn bởi nhiễu nổ ( ) khi công suất
quang lớn bằng:
eSNR

=

Độ nhạy máy thu tính bằng: với là hiệu suất quang điện máy thu có giá trị từ
75% - 90% , giả sử hiệu suất máy thu = 80% , Be = 0,75Rb .
Mối quan hệ giữa BER và eSNR được biểu diễn như sau :

BER =
Nhóm 5

1
2

erfc( 1/2

SNR / 2

)

(9)
Trang 16

trong


Tính toán tối ưu hiệu năng hệ thống quang không dây FSO
Từ các biểu thức ta xây dựng lưu đồ thuật toán tính toán các thông số để đạt
BER nhỏ nhất:

Nhóm 5

Trang 17


Tính toán tối ưu hiệu năng hệ thống quang không dây FSO
Xây dựng lưu đồ thuật toán:
Start
Nhập độ dài tuyến L, lượng mưa, công suất phát Pt, BER ban đầu

Tính tầm nhìn V và hệ số q
Vòng lặp quét các tốc độ Rb
Vòng lặp quét các bước sóng

+ Cho tuyến FSO cần thiết kế với độ dài
tuyến là L cho trước. Dựa vào điều kiện khí
hậu của khu vực có tuyến FSO hoạt động ta
biết được lượng mưa trung bình R và tính

được αmưa theo biểu thức (3). Tiếp đến, tính
tổn hao trung bình do tán xạ theo bước sóng
β(λ) dựa vào biểu thức (4), trong đó tầm
nhìn V và hệ số p được tính theo biểu thức
(5). Từ đó xác định được công suất suy hao
tổng trên tuyến PLoss theo biểu thức (6).

Tính suy hao tổng và cs máy thu
Vòng lặp quét các csuất phát Pt
Tính eSNR
Tính BER
BER < BERmin(Rb, )

+ Với 1 giá trị công suất phát Pt nhất định,
chọn trong dải [Ptmin-Ptmax] dựa vào (7) ta
tính được công suất quang tại đầu vào máy
thu Pr.

S

Đ
Ghi lại thông số BERmin
S

+ Chọn máy thu với các thông số kỹ thuật
cho trước: điện trở tải RL, hệ số chuyển đổi
quang điện RP; dòng tối IDB, IDS ; băng thông
điện Be; Be=0,75Rb; (thỏa mãn định lý
Nyquist); nhiệt độ môi trường T. Dựa vào
biểu thức (8) ta tính được tỉ số công suất tín

hiệu trên công suất nhiễu điện (eSNR).

Quét hết giá trị Pt?
Đ

S

S

Quét hết giá trị λ?
Đ

+ Từ quan hệ giữa BER và eSNR theo biểu
thức (9) ta xác định được BER và lưu lại giá
trị BER đã tính được này.

Quét hết giá trị Rb?
Đ
End
Hình 3.2 Lưu đồ thuật toán tối ưu các thông số

Nhóm 5

Hình 2 mô tả lưu đồ thuật toán tính toán tối
ưu các thông số để đạt BER nhỏ nhất. Cụ thể
là xác định các tổ hợp các giá trị công suất
phát của laser và tốc độ bít (Pt,Rb) tương
ứng với các bước sóng λ khác nhau sao cho
tín hiệu thu được có BER nhỏ nhất. Kết quả
được thể hiện trên các đồ thị trong hình 3, 4,

5 và 6. Thuật toán thực hiện chạy 3 vòng lặp
để tính tất cả các tổ hợp của công suất, tốc
độ bít và bước sóng. Các bước tính toán
được mô tả dựa vào các biểu thức trong mục
2 và thông qua thuật toán như sau:

Trang 18

+ Thực hiện các bước tương tự cho 3 vòng
lặp như trong hình 2, lần lượt thay đổi tốc
độ bít Rb, bước sóng λ và công suất phát
của Laser Pt.


Tính toán tối ưu hiệu năng hệ thống quang không dây FSO
Thay vì dùng mô phỏng ta tính toán tối ưu tuyến FSO tiêu biểu tại một số điểm
công suất phát : 15dBm , 16 dBm , 17 dBm.
Thiết kế tuyến FSO có các thông số sau đây:
Khoảng cách tiêu biểu 1km, tầm nhìn V =1 Km. Lượng mưa trung bình
100mm/h. Công suất phát nằm trong dải 10dBm ÷ 20dBm (Laser có kết hợp
khuếch đại quang). Tốc độ bít cho kênh được chọn các giá trị tiêu biểu lần lượt
là: 100Mb/s, 155Mb/s, 625Mb/s, 1Gb/s, 1,5Gb/s. Bước sóng là 850nm và
1550nm.
Do suy hao tại hai bước sóng 850nm, 1550 nm thấp đồng thời thiết bị hoạt động
ở các bước sóng này có sẵn trên thị trường và rất phổ biến (trong vùng cửa sổ
thứ 1 và thứ 3 của thông tin sợi quang) nên ta sẽ khảo sát BER theo công suất
phát, tốc độ bit ứng với hai bước sóng trung tâm này.
Máy thu có các thông số kỹ thuật:
Dòng tối khối, dòng tối bề mặt Idb, Ids : 1-10 nA
Điện trở tải = 200 Ω

Kháo sát tại công suất phát bằng 15dBm

Bước
sóng

850 nm

1550 nm

PLoss

35 dB

32 dB

Pr

-20 dBm

-17 dBm

(Mb/s
)

100

155

625

1000

1500

100

155

625

1000 1500

eSNR

0,228

0,147

0,037

0,023

0,015

0,83

0,54

0,133

0,083

0,056

BER

3,1x

3,5x

4,23x

4,4x

4,51x

1,8x

2,32x

3,6x

3,87x

4,1x

Nhóm 5

Trang 19

Tính toán tối ưu hiệu năng hệ thống quang không dây FSO

Kháo sát tại công suất phát bằng 16dBm

Bước
sóng

850 nm

1550 nm

PLoss

35 dB

32 dB

Pr

-19 dBm

-16 dBm

(Mb/s
)

100

155

625

1000

1500

100

155

625

1000 1500

eSNR

0,288

0,186

0,046

0,029

0,02

1,04

0,68

0,17

0,105

0,07

BER

2,96x

3,33x

4,15x

4,33x

4,45x

1,53
x

2,1x

3,4x

3,73x

4x

Kháo sát tại công suất phát bằng 17dBm
Bước
sóng

850 nm

1550 nm

PLoss

35 dB

32 dB

Pr

-18 dBm

-15 dBm

(Mb/s
)

100

155

625

1000

1500

100

155

625

1000 1500

eSNR

0,361

0,233

0,058

0,036

0,024

1,32

0,85

0,211

0,132

0,088

BER

2,74x

3,15x

4,05x

4,25x

4,4x

1,25
x

1,78x

3,23x

3,6x

3,83x

Qua các bảng khảo sát trên, ta có các kết luận như sau:
Khi công suất phát của Laser Pt càng tăng thì BER càng giảm. Điều này được
giải thích là lúc đó công suất đến đầu vào máy thu Pr càng tăng. Dựa vào biểu
thức tính eSNR ta thấy eSNR có dạng phân số mà tử số tỉ lệ với Pr2, mẫu chỉ tỉ lệ

Nhóm 5

Trang 20


Tính toán tối ưu hiệu năng hệ thống quang không dây FSO
với Pr nên khi Pr càng tăng thì eSNR cũng tăng làm BER càng giảm, chất lượng
tín hiệu thu được càng tốt.
Với cùng một công suất phát của Laser khi tốc độ bít dữ liệu mỗi kênh tăng lên
từ 100Mb/s, 155Mb/s, 625Mb/s, 1Gb/s đến 1,5Gb/s thì BER cũng tăng dần
theo. Điều này là do khi tốc độ bít tăng lên thì băng thông máy thu cũng tăng
lên (Be=0,75Rb), làm công suất nhiễu tăng dẫn đến eSNR giảm, do đó BER tăng
lên.
Với vùng bước sóng làm việc 1550 nm các kết quả BER luôn thấp hơn so với
các các kết quả tương ứng với vùng bước sóng làm việc 850 nm. Điều này được
giải thích là với độ dài tuyến được thiết kế 1 km như trên, dựa vào các biểu thức
(4) và (5) ta thấy bước sóng tỉ lệ nghịch với tổn hao do tán xạ β(λ) dẫn đến tổng
suy hao trên tuyến giảm đi, nên với cùng công suất Laser phát, ở vùng bước
sóng 1550 nm công suất tín hiệu quang ở đầu vào máy thu Pr sẽ lớn hơn so với
trường hợp ở vùng bước sóng 850 nm, làm tăng eSNR và giảm BER. Điều này
phù hợp với lí thuyết về suy hao trong vùng hồng ngoại do mưa ở tầm nhìn
khoảng 1Km.

Nhóm 5

Trang 21


Tính toán tối ưu hiệu năng hệ thống quang không dây FSO

Kết Luận:
Dựa vào mô hình tính toán và lưu dồ thuật toán, với một đường truyền FSO có
khoảng cách cho trước tùy ý (trong phạm vi vài km), lượng mưa trung bình
hằng năm, số kênh quang, tốc độ bít dữ liệu từng kênh...chúng ta có thể tính
toán các tham số của cơ bản của tuyến bao gồm công suất phát của Laser, bước
sóng làm việc, tốc độ dữ liệu sao cho tỉ số lỗi bít (BER) ở máy thu là nhỏ nhất.
Kết quả tính toán có thể được dùng làm số liệu tham khảo cho các cán bộ kỹ
thuật tính toán thiết kế tuyến thông tin quang không dây FSO nhằm nâng cao
chất lượng tín hiệu truyền dẫn trong tuyến.

Nhóm 5

Trang 22


Tính toán tối ưu hiệu năng hệ thống quang không dây FSO

Tài liệu tham khảo:
•
•

•

Luận văn thạc sĩ : Đánh giá hiệu năng hệ thống FSO dưới ảnh hưởng của
nhiễu loạn mạnh của tác giả Nguyễn Bá Lực
Bài báo : Xây dựng mô hình tính toán tuyến thông tin quang không dây
FSO của tác giả Nguyễn Văn Tuấn, Nguyễn Ngọc Dương, Phan Vĩnh
Vương
Giáo trình cơ sở kỹ thuật thông tin quang của thạc sĩ Trần Thủy Bình

Nhóm 5

Trang 23