Tài liệu Hệ thống mmw rof hai hướng sử dụng kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp

Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục MỤC LỤC MỤC LỤC ..................................................................................................................... 1 DANH MỤC HÌNH VẼ................................................................................................ 3 DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................... 4 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................................... 5 LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 8 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MMW/ROF ................................... 11 1.1 Giới thiệu chung ............................................................................................. 11 1.1.1 Khái niệm bước sóng millimet ................................................................... 11 1.1.2 Đặc tính của bước sóng millimet ................................................................ 12 1.1.3 Ứng dụng sóng millimet vào hệ thống RoF ............................................... 13 1.2 Khái niệm hệ thống RoF ................................................................................ 15 1.3 Cấu hình hệ thống RoF .................................................................................. 17 1.3.1 Các thành phần cơ bản của tuyến RoF ....................................................... 17 1.3.2 Hoạt động của hệ thống MMW/RoF .......................................................... 24 1.4 Ưu và nhược điểm của hệ thống MMW/RoF ................................................ 25 1.4.1 Ưu điểm của hệ thống ................................................................................. 25 1.4.2 Nhược điểm của hệ thống ........................................................................... 27 1.5 Các ứng dụng của hệ thống MMW/RoF ........................................................ 28 1.5.1 Ứng dụng cho mạng WLAN....................................................................... 29 1.5.2 Ứng dụng cho mạng RVC .......................................................................... 30 1.5.3 Ứng dụng cho mạng truy nhập vô tuyến ở ngoại ô, nông thôn .................... 32 1.5.4 Ứng dụng cho mạng Backhaul ................................................................... 34 1.5.5 Ứng dụng cho mạng di động tế bào ............................................................ 35 1.6 Kết luận chương ............................................................................................. 36 CHƯƠNG II: HỆ THỐNG MMW/ROF HAI HƯỚNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP......................................................................... 37 2.1 Giới thiệu chung ............................................................................................. 37 2.2 Tổng quan về kỹ thuật chuyển tiếp ................................................................ 37 2.3 Các phương pháp chuyển tiếp ........................................................................ 39 Đào Việt Hưng – B13DCVT024 1 Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục 2.3.1 Chuyển tiếp truyền thống............................................................................ 39 2.3.2 Nén và chuyển tiếp (Compress-and-Forward) ............................................ 40 2.3.3 Giải mã hóa và chuyển tiếp (Decode-and-Foward) .................................... 43 2.3.4 Khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify-and-Foward) .................................... 45 2.4 Hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp .................................................................................................................................. .47 2.4.1 Cấu tạo hệ thống ......................................................................................... 48 2.4.2 Nguyên lý hoạt động ................................................................................... 49 2.5 Kết luận chương .............................................................................................. 51 CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG MMW/ROF HAI HƯỚNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP............... 52 3.1 Giới thiệu chung ............................................................................................. 52 3.2 Mô hình hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật AF .................... 52 3.3 Phân tích hiệu năng hệ thống ......................................................................... 53 3.3.1 Hệ số kênh truyền ....................................................................................... 53 3.3.2 SNR của đường xuống ................................................................................ 54 3.3.3 SNR của đường lên ..................................................................................... 55 3.3.4 Thông lượng của hệ thống .......................................................................... 56 3.4 Các kết quả đánh giá ...................................................................................... 58 3.4.1 Lựa chọn tham số ........................................................................................ 58 3.4.2 Kết quả mô phỏng ....................................................................................... 59 3.5 Kết luận chương ............................................................................................. 62 KẾT LUẬN ................................................................................................................. 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 64 Đào Việt Hưng – B13DCVT024 2 Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Tần số bước sóng MMW so với tần số đang sử dụng hiện tại .................... 12 Hình 1.2: Hấp thụ khí quyển trung bình với sóng MMW tại mực nước biển ............. 12 Hình 1.3: Khái niệm về hệ thống RoF ......................................................................... 15 Hình 1.4: Hệ thống quang – vô tuyến 900 MHz ......................................................... 16 Hình 1.5: Kiến trúc chung của hệ thống RoF .............................................................. 17 Hình 1.6: Cấu tạo của Laser Diode .............................................................................. 19 Hình 1.7: Bộ điều chế Mach-Zehnder ......................................................................... 21 Hình 1.8: Cấu tạo sợi quang ........................................................................................ 22 Hình 1.9: Hoạt động của hệ thống MMW/RoF ........................................................... 24 Hình 1.10: Kiến trúc mạng WLAN sử dụng MMW/RoF ........................................... 30 Hình 1.11: Mạng RVC sử dụng MMW/RoF ............................................................... 31 Hình 1.12: Kiến trúc mạng MMW/RoF bao gồm K bộ TRX và N trạm BS .............. 33 Hình 1.13: Ứng dụng hệ thống MMW/RoF vào mạng Backhaul ............................... 34 Hình 2.1: Minh họa kỹ thuật chuyển tiếp .................................................................... 37 Hình 2.2: Chuyển tiếp loại I và loại II ......................................................................... 38 Hình 2.3: Chuyển tiếp truyền thống ............................................................................ 39 Hình 2.4: Chuyển tiếp Compress-and-Forward ........................................................... 41 Hình 2.5: Chuyển tiếp Decode-and-Forward .............................................................. 43 Hình 2.6: Chuyển tiếp Amplify-and-Forward ............................................................. 45 Hình 2.7: Sơ đồ truyền dẫn của chuyển tiếp hai hướng AF ........................................ 46 Hình 2.8: Hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật AF ............................... 48 Hình 2.9: Sơ đồ truyền dẫn của hệ thống .................................................................... 49 Hình 3.1: Mô hình hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật AF.................. 52 Hình 3.2: Khảo sát thông lượng chuẩn hóa của hệ thống theo công suất phát quang tại CS và RAU đối với ba loại chuyển tiếp: truyền thống, DF và AF ............................... 59 Hình 3.3: Khảo sát thông lượng chuẩn hóa của hệ thống theo công suất phát quang và công suất phát vô tuyến đối với chuyển tiếp AF .......................................................... 60 Hình 3.4: Thông lượng chuẩn hóa theo khoảng cách vô tuyến đối với hệ thống sử dụng chuyển tiếp AF..................................................................................................... 61 Đào Việt Hưng – B13DCVT024 3 Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục bảng biểu DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Sơ đồ truyền tải của hệ thống ...................................................................... 51 Bảng 3.1: Bảng lựa chọn tham số ................................................................................ 59 Đào Việt Hưng – B13DCVT024 4 Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục từ viết tắt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt ASF Amplify-and-Forward Khuếch đại và chuyển tiếp BB Base Band Băng tần sơ cở BS Base Station Trạm gốc BEP Bit Error Probability Xác suất lỗi bit BER Bit Error Rate Tỉ số lỗi bit BWAN Broadband Wireless Access Network Mạng truy nhập vô tuyến băng rộng CF Compress-and-Forward Nén và chuyển tiếp CN Core Network Mạng lõi CS Central Station Trạm trung tâm DSF Decode-and-Forward Giải mã hóa và chuyển tiếp DR Dynamic Range Dải động EHF Extremely High Frequency Tần số siêu cao FS Frequency Switch Chuyển mạch tần số IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Viện kĩ sư điện và điện tử IF Intermediate Frequency Tần số trung tần ITS Intelligent Transportation System Hệ thống truyền tải thông minh LD Laser Diode Điốt Laze LNA Low Noiser Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm nhỏ MH Mobile Host Thiết bị di động MAC Media Access Control Kiểm soát truy cập truyền thông Đào Việt Hưng – B13DCVT024 5 Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục từ viết tắt Từ viết tắt Từ tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt MMW Millimeter-wave Bước sóng millimet MMF Multi-mode Fiber Sợi đa mode MT Mobile Terminal Thiết bị đầu cuối di động MU Mobile User Người dùng di động MZM Mach-Zehnder Modulator Bộ điều chế Mach-Zehnder NF Noise Figure Hệ số tạp âm NT Network Trunk Mạng trung kế ODN Optical Distribution Network Mạng phân bố quang OF Optical Fiber Sợi quang OFM Orthogonal Frequency Multiplexing Ghép kênh theo tần số PD Photodiode Điốt quang PEP Packet Error Probability Xác suất lỗi gói tin POF Plastic Optical Fiber Sợi quang chất dẻo QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RAP Radio Access Point Điểm truy nhập vô tuyến RAU Remote Antenna Unit Khối anten từ xa RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RIN Relative Intensity Noise Nhiễu cường độ tương đối RoF Radio-over-Fiber Kĩ thuật truyền sóng vô tuyến trên sợi quang RN Remote Node Node trung gian RRH Remote Radio Head Đầu vô tuyến từ xa Đào Việt Hưng – B13DCVT024 6 Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục từ viết tắt Từ viết tắt Từ tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt RVC Road Vehicle Communication Truyền thông phương tiện giao thông trên đường TRX Transceiver Bộ thu phát SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SMF Single-mode Fiber Sợi quang đơn mode UE User Equipment Thiết bị người dùng Đào Việt Hưng – B13DCVT024 7 Đồ án tốt nghiệp đại học Lời mở đầu LỜI MỞ ĐẦU Thế kỉ thứ XXI là thời kì bùng nổ của khoa học kĩ thuật công nghệ. Với nhu cầu trao đổi thông tin khổng lồ của con người, đòi hỏi chúng ta không ngừng nghiên cứu phát triển những giải pháp kĩ thuật để ứng dụng trong truyền dẫn vô tuyến. Như chúng ta đã biết, ngày nay yêu cầu của mạng lưới viễn thông đã lên tới Tb/s, trong khi nguồn tài nguyên về băng thông truyền tải đã cạn kiệt thì việc ra đời mạng truyền dẫn quang với băng thông gần như vô hạn đã phần nào đáp ứng được nhu cầu đó. Đối với mỗi ý tưởng khoa học đưa ra cần phải mất khá nhiều thời gian nghiên cứu thì chúng ta mới triển khai trên thực tế. Vì vậy, mặc dù ý tưởng dùng ánh sáng để truyền tin ra đời khá sớm nhưng mãi tới những năm cuối thế kỉ XX, các hệ thống thông tin quang đầu tiến mới được triển khai để thương mại hóa. Trong một thời gian khá ngắn, công nghệ quang đã phát triển mạnh mẽ kéo theo đó thì các hệ thống truyền dẫn quang mới thực sự thể hiện được khả năng đáp ứng ưu việt của nó. Chính vì thế, sợi quang đã được sử dụng trở nên phổ biến và gần như chiếm trọn trong các hệ thống truyền dẫn ngày nay. Tuy có những nhược điểm nhất định trong lắp đặt, bảo dưỡng cũng như giá thành của sợi quang và thiết bị đi kèm còn đắt hơn so với cáp đồng nhưng với băng thông lớn của sợi quang thì không có một môi trường hiện tại nào có thể so sánh được. Vì vậy, sợi quang được xem là cơ sở để triển khai các mạng băng thông rộng mà bây giờ ta có thấy được như mạng đường trục, FTTx… các ứng dụng trên sợi quang ngày càng nhiều. Mạng truy nhập là nút cuối cùng trong mạng viễn thông, là thành phần giao tiếp với con người trong quá trình đưa dịch vụ tới người sử dụng cuối và là thành phần tất yếu của mạng. Việc yêu cầu đưa ra 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 truyền tín hiệu vô tuyến qua sợi quang (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, tìm hiểu nguyên lý, ưu nhược điểm của hệ thống và kịch bản ứng dụng của nó trong mạng viễn thông nhưng những kết quả mà nó mạng lại rất khả quan. Điển hình, tháng 4 năm 2012, AT&T đã phát Đào Việt Hưng – B13DCVT024 8 Đồ án tốt nghiệp đại học Lời mở đầu triển được 3000 hệ thống RoF tại Mỹ ở nhưng nơi như sân vận động, trung tâm mua sắm, bên trong các tòa nhà. Do vậy, trong thời gian sắp chúng ta kì vọng rằng kỹ thuật RoF sẽ được triển khai rộng và thương mại hóa. Hiện nay, kỹ thuật RoF được kết hợp với bước sóng millimet (millimeterwave) giúp ta sử dụng hiệu quả tần số và tái sử dụng phổ tần một cách hiệu quả. Giải quyết vấn đề thiếu hụt tài nguyên về băng thông do sự phát triển mạnh mẽ của Internet, những yêu cầu của truyền thông toàn cầu ngày càng tăng lên đáng kể với các ứng dụng băng thông rộng như video hội nghị, video theo yêu cầu (VoD) hay HDTV… Và để tối ưu hóa được lưu lượng của hệ thống, kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify-and-Forward) đã được áp dụng vào hệ thống này. Vì vậy, trong đồ án này, em sẽ tìm hiểu về hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp. Nội dung đồ án gồm ba phần: Chương I: Tổng quan về hệ thống MMW/RoF. Chương này trình bày về khái niệm hệ thống RoF, khái niệm bước sóng millimet, ứng dụng bước sóng millimet vào hệ thống RoF, các thành phần trong hệ thống, cách cấu hình tuyến RoF, đồng thời phân tích các đặc điểm của hệ thống MMW/RoF. Cuối chương là các ứng dụng của hệ thống trong cuộc sống hiện nay và cả trong tương lai. Chương II: Hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật AF. Chương này đưa ra lí do tại sao cần dùng kỹ thuật chuyển tiếp trong các mạng di động, sau đó trình bày về các kỹ thuật chuyển tiếp như chuyển tiếp truyền thống, nén và chuyển tiếp (Compress-and-Forward), giải mã hóa và chuyển tiếp (Decode-and-Forward), khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify-and-Forward); sau đó trình bày về hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp và nguyên lý hoạt động của hệ thống, Chương III: Phân tích hiệu năng hệ thống MMW/RoF hai hướng sử dụng kỹ thuật AF. Chương này đưa ra cấu trúc, mô hình của hệ thống, phân tích hiệu năng hệ thống thông qua các biểu thức tính toán, sau đó đưa ra các kết quả đánh giá và mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab. Đào Việt Hưng – B13DCVT024 9 Đồ án tốt nghiệp đại học Lời mở đầu Dưới sự quan tâm, giúp đỡ, chỉ bảo tận tình trong khi làm đồ án cũng như cung cấp tài liệu của Cô giáo ThS. Phạm Anh Thư, đồ án đã được hoàn thành với nội dung đăng ký ở mức độ và phạm vi nhất định. Tuy nhiên, do trình độ và thời gian có hạn nên đồ án không tránh khỏi có những sai sót, kính mong các thầy cô giáo và bạn đọc đóng góp ý kiến giúp đồ án được hoàn thiện hơn và định hướng cho các nghiên cứu tiếp theo. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới Cô giáo ThS. Phạm Anh Thư, người đã trực tiếp định hướng em lựa chọn đề tài này đồng thời cũng là người đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành đồ án. Đào Việt Hưng – B13DCVT024 10 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về hệ thống MMW/RoF CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MMW/ROF 1.1 Giới thiệu chung Ngày nay, nhu cầu ngày càng cao của dịch vụ băng rộng dẫn đến yêu cầu ngày càng tăng về lưu lượng dữ liệu truy cập từ các dịch vụ này. Vào năm 2010, hơn 50% doanh thu của các công ty điện thoại trên thế giới đến từ các dịch vụ liên quan đến video. Ngoài các ưu điểm như tốc độ cao, tính đối xứng, đảm bảo nhu cầu băng thông cho các dịch vụ video trong tương lai, mạng truy nhập thế hệ mới NGN đang mở ra vấn đề hội tụ của dịch vụ hữu tuyến và vô tuyến. Công nghệ Radio-over-Fiber hay RoF, kết hợp của của công nghệ vô tuyến và công nghệ truyền tải quang là một giải pháp tiềm năng, phục vụ nâng cao dung lượng mạng và tính di động, đồng thời giảm chi phí mạng truy nhập. Ý tưởng của công nghệ RoF là truyền thông tin qua sợi quang bằng cách điều chế ánh sáng bằng tín hiệu vô tuyến. Quá trình điều chế này có thể thực hiện bằng cách điều chế trực tiếp với tín hiệu vô tuyến cao tần RF hoặc sử dụng một trung tần IF. Kiến trúc như vậy đem lại nhiều ưu điểm như giảm độ phức tạp của đầu cuối thu/phát sóng, sóng mang vô tuyến có thể được phân bổ tự động cho các trạm phát sóng khác nhau, mang lại tính trong suốt với hệ thống cũng như khả năng mở rộng cao hơn. Tuy nhiên, hệ thống RoF cũng có nhiều nhược điểm như: bị ảnh hưởng bởi nhiễu và méo; cần có đường dây, các đường dây cấp nguồn cho tiếp phát; cần có phương thức chỉnh lõi… Sau nhiều nghiên cứu cho thấy các ưu điểm của băng millimet hoàn toàn phù hợp cho ứng dụng vào hệ thống RoF, tận dụng ưu điểm của công nghệ truyền dẫn sợi quang nhằm khắc phục được các hạn chế vốn có của nó. Từ đó, hệ thống truyền tín hiệu vô tuyến bước sóng millimet qua sợi quang (MMW/RoF) ra đời. 1.1.1 Khái niệm bước sóng millimet Băng millimet (MMW), hay còn được gọi là tần số siêu cao EHF, là thuật ngữ biểu thị các sóng điện từ có bước sóng trong khoảng 1-10mm, tương ứng với tần số 30-300 GHz. Tần số 20GHz cũng có những đặc điểm khá tương đồng với EHF nên một số chuyên gia vẫn xếp nó vào băng MMW. Đào Việt Hưng – B13DCVT024 11 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về hệ thống MMW/RoF Hình 1.1: Tần số bước sóng MMW so với tần số đang sử dụng hiện tại 1.1.2 Đặc tính của bước sóng millimet Bước sóng MMW có một số đặc tính cơ bản sau: ➢ Băng thông vô tuyến lớn, đem lại tốc độ truyền tải rất cao. Do có tần số lớn, băng thông cũng như tốc độ mà bước sóng MMW đem lại là rất ấn tượng (đơn cử như tại băng 75-110 GHz, tốc độ truyển tải đem lại là khoảnh 40Gbps). Nếu so với các tiêu chuẩn hiện tại, với tần số hoạt động cỡ 2.4 – 5.8 GHz. Tốc độ truyền tải chưa thể vượt qua được hàng gigabit thì bước sóng MMW dễ dàng cho thấy khả năng của nó. ➢ Suy hao trong không khí lớn: nguyên nhân cũng do tần số quá cao, lên đến lên đến 15 dB/km ở tần số 60Ghz. Hình 1.2 là đồ thị thể hiện mức độ suy hao này. Hình 1.2: Hấp thụ khí quyển trung bình với sóng MMW tại mực nước biển Đào Việt Hưng – B13DCVT024 12 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về hệ thống MMW/RoF Trong đó: Đường A: nhiệt độ 20oC, áp suất 1013.25mb, mật độ hơi nước 7.5g/m3. Đường B: nhiệt độ 0oC, áp suất 1000mb, mật độ hơi nước 1g/m3. Các ưu điểm của băng MMW hoàn toàn phù hợp cho ứng dụng vào hệ thống RoF, tận dụng ưu điểm của công nghệ truyền dẫn sợi quang nhằm khắc phục được các hạn chế vốn có của nó. Từ đó, hệ thống truyền tín hiệu vô tuyến bước sóng MMW qua sợi quang (MMW/RoF) ra đời. 1.1.3 Ứng dụng sóng millimet vào hệ thống RoF Việc ứng dụng bước sóng MMW vào hệ thống RoF đem lại những ưu điểm: ➢ Sử dụng băng tần MMW làm giảm kích thước anten: Anten của hệ thống MMW/RoF có kích thước nhỏ hơn anten của hệ thống RoF truyền thống. Để bức xạ năng lượng điện từ một cách hiệu quả, kích thước anten thường phụ thuộc vào bước sóng, thông thường là 1/10 bước sóng hoặc cao hơn. F= λ*c, hay λ=c/F, tần số (F) tăng, đồng nghĩa với bước sóng (λ) giảm, làm giảm kích thước anten. Kích thước anten giảm cho phép giảm năng lượng tiêu thụ cũng như kích thước của BS. Cần lưu ý là do số lượng BS rất lớn, nên chỉ một cải tiến này có thể làm giảm đáng kể chi phí hệ thống. ➢ Băng thông của hệ thống MMW/RoF là lớn hơn rất nhiều: Băng thông lớn đồng nghĩa với việc tốc độ truyền tải thông tin cũng cao hơn. Ta có thể truyền tải nhiều thông tin hơn với việc điều chế một sóng mang 1GHz hơn là 1 KHz. Ví dụ như truyền dẫn audio, tần số cao nhất cần điều chế là 20KHz. Sử dụng sóng mang 1MHz, ta cần dịch tần số trung tâm đi ±10KHz (1%), còn nếu sử dụng sóng mang 1 GHz, ta chỉ cần dịch tần số trung tâm đi 0.0001% để truyền đi cùng một lượng thông tin. Vì vậy, tần số cao hơn đồng nghĩa với việc mang được nhiều thông tin hơn. Băng thông lớn, tốc độ cao là nền tảng cho hệ thống để cung cấp các dịch vụ mới trong tương lai, trong khi vẫn đảm bảo tính di động. Về điểm này, hệ thống MMW/RoF hoàn toàn vượt trội so với các hệ thống RoF sử dụng tần số IF hay RF. ➢ Giảm khoảng cách tái sử dụng tần số: Suy hao của tần số MMW trong không khí là rất lớn. Một số giá trị trung bình của suy hao trong không khí được thể hiện trên hình 1.2, suy hao lớn làm giảm vùng phủ sóng, hay nói cách khác là giảm kích thước ô, hay khoảng cách tái sử dụng tần số. Điều này góp phần làm tăng dung lượng hệ thống. Đào Việt Hưng – B13DCVT024 13 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về hệ thống MMW/RoF Tuy vậy, ứng dụng bước sóng MMW gây ra một số nhược điểm cho hệ thống MMW RoF: ➢ Do sử dụng tần số cao, hệ thống MMW/RoF yêu cầu những linh kiện tần số cao đắt tiền. Các linh kiện hoạt động ở tần số cao có cấu trúc rất phức tạp, do đó có giá thành rất lớn. Điều này là không thể tránh khỏi, tuy nhiên có thể được hạn chế bằng cách áp dụng các công nghệ truyền dẫn cũng như công nghệ tạo tín hiệu MMW ở CS giúp hạn chế sử dụng các linh kiện này. ➢ Cũng do suy hao trong không khí lớn, kích thước ô nhỏ nên số BS phục vụ một diện tích sẽ rất lớn. Khoảng cách phục vụ này còn nhỏ hơn nữa nếu tương lai hệ thống MMW/RoF khai thác tần số lớn hơn, tương đương với việc số lượng trạm thu phát sẽ là con số khổng lồ. Số lượng BS quá nhiều làm tăng giá thành hệ thống, đồng thời việc quản lý ở CS sẽ khó khăn hơn. Đối với một khu đô thị có diện tích S = 7km2, sử dụng hệ thống MMW/RoF hoạt động ở tần số 60GHz, với bán kính ô R=300m, mỗi một ô được phục vụ bởi một trạm thu phát: Diện tích mỗi ô: Scell = π.R2 = π.3002 ≈ 282000 (m2) Số lượng ô: N = S/Scell = 7000000/282000 ≈ 25 trạm phát sóng Như vậy chỉ với 7km2 là diện tích trung bình của một khu đô thị, mà đã cần tới 25 trạm phát sóng, thì số lượng trạm phát sóng cần để phủ sóng một thành phố lớn phải lên đến cỡ hàng chục nghìn thậm chí hàng trăm nghìn (để phủ sóng toàn Hà Nội cần đến xấp xỉ 12000 BS). Số lượng lớn BS gây nên vấn đề chi phí hệ thống và chi phí năng lượng hệ thống. Để giải quyết vấn đề này có hai hướng: một là cắt giảm số lượng BS, hai là giảm giá thành mỗi BS. Phương án thứ nhất khó thực hiện do gây ra giảm chất lượng tín hiệu. Phương án thứ hai là cách thức chính để phổ cập hóa hệ thống MMW/RoF. Một BS “xanh” (nhỏ gọn, tốn ít năng lượng, chi phí thấp) là tương lai của hệ thống MMW/RoF. ➢ Một vấn đề nữa của hệ thống MMW/RoF đó là tán sắc ở cự ly dài. Tán sắc là hiện tượng mà vận tốc pha của sóng phụ thuộc vào tần số. Tán sắc gây ra giao thoa giữa các ký tự, tăng lỗi bit máy thu và dẫn đến giảm khoảng cách truyền dẫn. Tần số hoạt động lớn trong hệ thống khiến độ tán sắc cao. Trong hệ thống MMW/RoF, có các Đào Việt Hưng – B13DCVT024 14 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về hệ thống MMW/RoF loại tán sắc: tán sắc mode (trong sợi đa mode MMF), tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng, tán sắc mode phân cực. Với các hệ thống tốc độ cao, tán sắc là một vấn đề rất quan trọng ảnh hưởng đến cự ly truyền dẫn tối đa. Để giải quyết vấn đề tán sắc, người ta thường áp dụng các phương pháp bù tán sắc. 1.2 Khái niệm hệ thống RoF RoF là công nghệ truyền sóng vô tuyến qua sợi quang sử dụng đường truyền sợi quang để phân phối các tín hiệu tần số vô tuyến (RF) từ các vị trí trạm đầu cuối tập trung tới các khối anten đầu xa (RAUs). Trong hệ thống thông tin băng hẹp và WLANs, các chức năng xử lí tín hiệu RF như nâng tần, điều chế sóng mang và ghép kênh, được thực hiện ở các trạm gốc BS hoặc ở điểm truy nhâp vô tuyến Radio Access Point (RAP) và ngay sau đó được đưa tới anten. Công nghệ RoF cho phép tập trung các chức năng xử lí tín hiệu RF tại một phân hệ trung tâm (trạm đầu cuối), sau đó sử dụng sợi quang có suy hao thấp (0,3 dB/km cho bước sóng 1550 nm, 0,5dB/km cho bước sóng 1310 nm) để phân phối tín hiệu RF tới các RAU như trong hình 1.3. Hình 1.3: Khái niệm về hệ thống RoF [9] Nhờ công nghệ RoF các RAU được đơn giản hóa đáng kể, chúng chỉ còn chức năng chuyển đổi quang-điện và khuếch đại. Việc tập trung các chức năng xử lý tín hiệu RF cho phép chia sẻ thiết bị, phân bổ động tài nguyên và đơn giản hóa vận hành, bảo dưỡng hệ thống. Những ưu điểm này làm giảm chi phí lắp đặt và vận hành của hệ thống, đặc biệt trong các hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng cần mật độ BS/RAPs Đào Việt Hưng – B13DCVT024 15 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về hệ thống MMW/RoF cao. Một trong những ứng dụng của RoF được mô tả như hình 1.4, hệ thống được sử dụng để phân phối tín hiệu GSM. Tín hiệu RF được sử dụng để điều biến trực tiếp laser ở trạm trung tâm. Tín hiệu quang sau khi điều chế cường độ được truyền trên sợi quang tới trạm gốc BS (RAU). Tại RAU tín hiệu RF được khôi phục bằng cách tách sóng trực tiếp ở bộ tách sóng quang PIN. Hình 1.4: Hệ thống quang – vô tuyến 900 MHz Tín hiệu sau đó được khuếch đại và được bức xạ ra nhờ anten. Tín hiệu đường lên từ máy di động MU được đưa từ RAU tới trạm trung tâm cũng theo cách này. Phương thức truyền tín hiệu RF qua sợi quang này được gọi là điều chế cường độ với tách sóng trực tiếp (IM-DD) và là hình thức đơn giản nhất của RoF. Các đặc điểm kỹ thuật chính của hệ thống RoF: ➢ Các chức năng điều khiển được thực hiện ở CS: ấn định kênh, điều chế/giải điều chế, định tuyến... nhằm đơn giản hóa BS. BS chỉ thực hiện chức năng phát sóng và truyền tín hiệu từ các đầu cuối về CS. ➢ Kiến trúc mạng tập trung cho phép khả năng cấu hình tài nguyên và cấp băng thông động (thành phần này có thể sử dụng băng thông nhàn rỗi của thành phần khác). ➢ BS có cấu trúc đơn giản nên có sự ổn định cao, tuy nhiên số lượng BS rất lớn nên quản lý khá phức tạp. ➢ Kỹ thuật RoF trong suốt với các giao diện vô tuyến (điều chế, tốc độ bit...) và các giao thức vô tuyến khác. ➢ Một CS có thể phục vụ nhiều BS ở khoảng cách lớn. Đào Việt Hưng – B13DCVT024 16 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về hệ thống MMW/RoF 1.3 Cấu hình hệ thống RoF Như ta đã biết, mục tiêu của mạng RoF là làm sao để cấu trúc của các BS càng đơn giản càng tốt. Các thành phần của mạng có thể chia sẻ được tập trung ở CS. Vì vậy mà cấu hình của một tuyến RoF quyết định sự thành công của mạng RoF. 1.3.1 Các thành phần cơ bản của tuyến RoF Một tuyến RoF có kiến trúc như hình sau sẽ bao gồm ít nhất là thành phần biến đổi sóng vô tuyến sang quang, thành phần chuyển đổi quang thành sóng vô tuyến. Hình 1.5: Kiến trúc chung của hệ thống RoF Một hệ thống RoF điển hình gồm các thành phần: ➢ Phân hệ trạm trung tâm Central Station (CS): Là nơi chứa dữ liệu tài nguyên, thiết bị phát quang (TX) bằng laser và thiết bị thu quang (RX), photodetectors (PDs). Tùy vào đặc tính kỹ thuật của hệ thống RoF mà một CS có thể phục vụ một số lượng lớn BS ở khoảng cách xa (hàng chục km). Do kiến trúc mạng tập trung nên các chức năng chính của hệ thống RoF đều tập trung ở đây như định tuyến, chuyển mạch, điều chế, cấp phát kênh... đều được thực hiện và chia sẻ 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. CS được kết nối với internet thông qua mạng trung kế (Network Trunk) và có khả năng chuyển mạch. Theo hướng đường xuống, CS chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và sử dụng ODN để giao tiếp với các trạm cơ sở BS (Base Station). Đào Việt Hưng – B13DCVT024 17 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về hệ thống MMW/RoF ➢ Phân hệ trạm gốc Base Station (BS): Trong hệ thống RoF, BS có vai trò chính là phát sóng vô tuyến từ CS đến các đầu cuối và nhận tín hiệu từ các đầu cuối truyền về CS xử lý. Mỗi BS sẽ phục vụ một diện tích nhỏ. BS không có chức năng xử lý dữ liệu, nó chỉ đơn thuần biến đổi tín hiệu điện - quang và ngược lại phục vụ truyền dẫn về CS hoặc phát sóng. Thành phần quan trọng nhất của nó là bộ chuyển đổi quang điện ở tần số hoạt động (thường là RF, cũng có thể là tần số MMW trong hệ thống MMW/RoF sẽ nghiên cứu dưới đây) và anten. Thông thường bán kinh phục vụ (tương tự như vùng phủ sóng) của mỗi BS là nhỏ, thậm chí là rất nhỏ nếu sử dụng tần số MMW (từ vài chục đến vài trăm mét, thậm chí chỉ hàng mét) và phục vụ một số lượng nhỏ các MT/MH. Do đó, số lượng BS sẽ là rất nhiều để phủ sóng trên một diện tích, nên trong kiến trúc mạng RoF, đơn giản hóa BS là vấn đề cực kỳ quan trọng. ➢ Mobile Host (MH/MT): Đây là các thiết bị đầu cuối, là các thiết bị di động thường là của khách hàng. Nó có thể là điện thoại, tablet, laptop hay các thiết bị đặc thù khác có chức năng truy nhập vào mạng không dây. Theo hướng đường lên, các BS nhận được tín hiệu sóng MMW từ MT, tùy thuộc vào cấu hình của các BS tín hiệu này có thể được hạ tần trước khi điều chế điện quang để truyền tải thông tin lên thông qua ODN quay lại CS. ➢ Remote Node (RN): RN đóng vai trò là các node trung gian, giảm tải việc quản lý cho CS. Mỗi RN sẽ quản lý một vài BS, và CS sẽ quản lý các RN này. Nhờ cấu trúc phân quyền quản lý như thế, hệt thống MMW/RoF sẽ hoạt động hiệu quả hơn. Các trạm trung tâm cũng sẽ liên kết với nhau thông qua mạng MAN giúp hệ thống được phân tán nhưng vẫn đảm bảo quản lý tập trung. Các trung tâm mạng này sẽ liên kết với mạng khác (PSTN, internet…) thông qua một mạng trung chuyển. ➢ Tuyến quang kết nối giữa CS và BS: Tuyến quang này phục vụ truyền dẫn tín hiệu giữa BS và CS. Các thành phần con trong hệ thống gồm có: Laser Diode (LD): Đào Việt Hưng – B13DCVT024 18 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về hệ thống MMW/RoF Laser Diode một loại laser có cấu tạo tương tự như một Điốt. Nó có môi trường kích thích là chất bán dẫn dạng p-n nối tiếp của diode. Khi ống diode được kích ứng, ví dụ như được đặt dưới hiệu điện thế, các lỗ trống trong phần bán dẫn loại p chuyển qua phần bán dẫn loại n và các electron trong phần bán dẫn loại n sang phần bán dẫn loại p. Khi các electron gặp các lỗ trống, chúng rới xuống mức năng lượng thấp (và bền) hơn, giải phóng năng lượng dư thừa qua photon với năng lượng bằng với chênh lệch năng lượng trong và ngoài lỗ trống. Trong điều kiện thích hợp, các electron và các lỗ trống có thể cùng tồn tại trong cùng một diện tích trong một khoảng thời gian (tính trên phần triệu giây) trước khi chúng sát nhập. Nếu photon có cùng tần số được phát ra trong khoảng thời gian trên, nó sẽ kích thích sự phát xạ của photon khác, cùng một hướng, cùng độ phân cực và đồng pha với photon đầu tiên. Hình 1.6: Cấu tạo của Laser Diode Điốt quang Photodiode (PD): PD là một loại diode bán dẫn thực hiện chuyển đổi photon thành điện tích theo hiệu ứng quang điện. Các photon có thể là ở vùng phổ ánh sáng nhìn thấy, hồng ngoại, tử ngoại, tia X, tia gamma. Khi photon xâm nhập lớp hoạt động của PD là tiếp giáp pn hoặc cấu trúc PIN, sẽ tạo ra điện tích làm phát sinh dòng điện. Đào Việt Hưng – B13DCVT024 19 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về hệ thống MMW/RoF Để làm việc với vùng phổ ánh sáng chọn lọc thì các màng lọc phù hợp được phủ lên bề mặt PD. PD có cấu trúc lớp hoạt động là tiếp giáp p-n, loại mới hơn thì là cấu trúc PIN. Khi photon có năng lượng đủ lớn xâm nhập lớp hoạt động này sẽ bị hấp thụ, và theo hiệu ứng quang điện tạo ra cặp điện tử - lỗ trống. Nếu hấp thụ xảy ra trong vùng nghèo của tiếp giáp hoặc vùng khuếch tán, điện trường của vùng nghèo làm các hạt mang điện dịch chuyển, lỗ trống về anode còn điện tử về cathode, làm phát sinh dòng điện. Thông thường thì điốt có dòng điện dò, ở photodiode gọi là dòng tối, là dòng khi không có photon chiếu vào. Dòng điện qua photodiode là tổng của dòng quang điện và dòng dò. Để tăng độ nhạy cảm biến thì công nghệ chế tạo phải hạn chế được dòng dò. Hiệu ứng quang điện là hiện tượng gắn liền với chất bán dẫn, nên khi chế các linh kiện không hoạt động với photon thì phải bố trí che ánh sáng đi. Các che chắn không phải là tuyệt hoàn hảo, nên máy điện tử có thể lỗi hoặc hỏng khi vào vùng nhiễu cao, chẳng hạn vùng chiếu tia X, tia gamma mạnh hay trong vũ trụ. Mạch chuyển đổi xuống (Down-conversion Circuit): Mạch chuyển đổi xuống DCC là mạch tích hợp chuyển tín hiệu từ miền quang về miền điện. DCC được sử dụng tại đường lên của BS. Trong nhiều trường hợp, các tín hiệu đường lên vô tuyến nhận được từ MT tại BS là lần chuyển đổi xuống đầu tiên tới băng gốc hoặc sóng mang con trung tần tần số thấp IF. Trong trường hợp này, một mạch chuyển đổi xuống điện tử DCC là cần thiết; nó thể thể được tạo ra bởi máy tách sóng đường bao hoặc một LO điện, cho phép một bộ chuyển đổi điện – quang giá rẻ cho truyền dẫn trực tiếp của kênh đường lên. Mặt khác, nếu DCC không được triển khai tại BS, tín hiệu bước sóng MMW từ BS được điều chế trực tiếp tại bộ phát BS, và quá trình chuyển đổi xuống của dữ liệu đường lên xảy ra tại CS. Cấu hình này yêu cầu các linh kiện quang chỉ định cho truyền dẫn đường lên, hoạt động tại tần số bước sóng MMW, làm cho tăng giá thành và độ phức tạp. Quyết định chọn chuyển đổi xuống hay không tín hiệu bước sóng MMW từ MT tại BS phụ thuộc vào những đặc tính và yêu cầu mạng tổng thể. Đào Việt Hưng – B13DCVT024 20