Luận văn thạc sĩ ảnh hưởng phi tuyến của truyền dẫn sóng vô tuyến qua sợi quang trong hệ thống 5g

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ảnh hưởng phi tuyến của truyền dẫn sóng vô tuyến qua sợi quang trong hệ thống 5G, ứng dụng công nghệ tiên tiến.

• Tác giả: Bạch Thanh Tùng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đức Nhân
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
• Đề tài: Ảnh hưởng phi tuyến của truyền dẫn sóng vô tuyến qua sợi quang trong hệ thống 5G
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về truyền dẫn sóng vô tuyến qua sợi quang RoF

Truyền dẫn sóng vô tuyến qua sợi quang (RoF) là công nghệ sử dụng sợi quang để phân phối tín hiệu tần số vô tuyến (RF) từ trạm trung tâm đến các điểm truy cập vô tuyến. Hệ thống 5G yêu cầu tốc độ truyền tải cao và băng thông rộng, điều này làm cho RoF trở thành giải pháp quan trọng. Sợi quang với suy hao thấp và băng thông lớn giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn. Công nghệ RoF tập trung xử lý tín hiệu tại trạm trung tâm, giảm thiểu độ phức tạp tại các điểm truy cập. Ứng dụng của RoF trong mạng 5G bao gồm Wireless LAN, mạng thông tin giao thông (RVC), và các dịch vụ tốc độ cao khác.

1.1. Khái niệm và thành phần cơ bản của RoF

Truyền dẫn sóng vô tuyến qua sợi quang (RoF) sử dụng sợi quang để phân phối tín hiệu RF từ trạm trung tâm đến các khối anten đầu xa (RAU). Các thành phần chính bao gồm Mobile Host (MH), Base Station (BS), và Central Station (CS). MH là thiết bị đầu cuối như điện thoại di động, máy tính bảng. BS đóng vai trò phát sóng vô tuyến và chuyển đổi tín hiệu quang-điện. CS là trạm xử lý trung tâm, nơi thực hiện các chức năng phức tạp như định tuyến và điều chế. Sợi quang kết nối giữa BS và CS, đảm bảo truyền dẫn tín hiệu hiệu quả.

1.2. Kỹ thuật và ứng dụng của RoF

Các kỹ thuật chính trong RoF bao gồm truyền tín hiệu RF qua sợi quang (RFoF), truyền tín hiệu trung tần (IFoF), và truyền tín hiệu băng tần cơ sở (BBoF). RFoF sử dụng điều chế cường độ và tách sóng trực tiếp (IM-DD), trong khi IFoF và BBoF dựa trên tách sóng Heterodyne đầu xa (RHD). RoF được ứng dụng rộng rãi trong Wireless LAN, mạng thông tin giao thông (RVC), và mạng 5G. Công nghệ này giúp giảm chi phí vận hành và tăng hiệu suất truyền dẫn, đặc biệt trong các hệ thống yêu cầu băng thông lớn và tốc độ cao.

II. Ảnh hưởng phi tuyến trong truyền dẫn RoF

Ảnh hưởng phi tuyến là một trong những thách thức lớn trong truyền dẫn sóng vô tuyến qua sợi quang. Các hiệu ứng phi tuyến như tán sắc, hiệu ứng Kerr, và hiệu ứng Raman gây ra méo tín hiệu, đặc biệt khi hệ thống hoạt động ở tốc độ cao và băng thông lớn. Hệ thống 5G yêu cầu tốc độ truyền tải lên đến hàng chục Gbps, làm cho các hiệu ứng phi tuyến trở nên nghiêm trọng hơn. Việc phân tích và đánh giá các tham số như công suất quang, độ dài sợi quang, và tần số tín hiệu là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.

2.1. Hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang

Các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang bao gồm hiệu ứng Kerr, hiệu ứng Raman, và tán sắc. Hiệu ứng Kerr gây ra sự thay đổi chiết suất của sợi quang khi công suất quang tăng, dẫn đến méo tín hiệu. Hiệu ứng Raman làm tăng ánh sáng tán xạ ngược, ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu. Tán sắc gây ra sự phân tán tín hiệu theo thời gian, đặc biệt nghiêm trọng ở tốc độ truyền tải cao. Các hiệu ứng này cần được kiểm soát để đảm bảo hiệu suất truyền dẫn trong hệ thống 5G.

2.2. Phân tích tham số ảnh hưởng đến hiệu ứng phi tuyến

Các tham số chính ảnh hưởng đến hiệu ứng phi tuyến bao gồm công suất quang, độ dài sợi quang, và tần số tín hiệu. Công suất quang cao làm tăng các hiệu ứng phi tuyến, trong khi độ dài sợi quang dài gây ra suy hao và tán sắc. Tần số tín hiệu cao trong hệ thống 5G cũng làm tăng độ phức tạp của các hiệu ứng phi tuyến. Việc tối ưu hóa các tham số này là cần thiết để giảm thiểu méo tín hiệu và nâng cao hiệu suất truyền dẫn.

III. Đánh giá ảnh hưởng phi tuyến trong hệ thống 5G

Trong hệ thống 5G, ảnh hưởng phi tuyến của truyền dẫn sóng vô tuyến qua sợi quang cần được đánh giá kỹ lưỡng. Các nghiên cứu tập trung vào việc phân tích hiệu ứng nhiễu phi tuyến, thiết kế bộ thu, và hiệu suất truyền dẫn. Mô hình khảo sát RoF được sử dụng để đánh giá hiệu suất hệ thống trong các điều kiện khác nhau. Kết quả cho thấy, việc tối ưu hóa các tham số như công suất quang và độ dài sợi quang giúp giảm thiểu méo tín hiệu và nâng cao hiệu suất truyền dẫn trong mạng 5G.

3.1. Mô hình khảo sát và kết quả đánh giá

Mô hình khảo sát RoF được sử dụng để đánh giá hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống 5G. Các tham số như công suất quang, độ dài sợi quang, và tần số tín hiệu được điều chỉnh để phân tích hiệu suất hệ thống. Kết quả cho thấy, công suất quang cao và độ dài sợi quang dài làm tăng méo tín hiệu, trong khi tần số tín hiệu cao gây ra nhiễu phi tuyến nghiêm trọng. Việc tối ưu hóa các tham số này giúp cải thiện hiệu suất truyền dẫn.

3.2. Thiết kế bộ thu và hiệu suất truyền dẫn

Thiết kế bộ thu đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu hiệu ứng phi tuyến. Các bộ thu sử dụng kỹ thuật tách sóng Heterodyne đầu xa (RHD) giúp tăng hiệu suất truyền dẫn và giảm méo tín hiệu. Hiệu suất truyền dẫn được đánh giá thông qua các chỉ số như tỷ số lỗi bit (BER) và tốc độ truyền tải. Kết quả cho thấy, việc tối ưu hóa thiết kế bộ thu và các tham số hệ thống giúp nâng cao hiệu suất truyền dẫn trong mạng 5G.

Trích đoạn nội dung tài liệu

phần mở đầu, trong kiến trúc mạng RoF thì BS phải rất đơn giản, nó có nhiệm vụ phát sóng vô tuyến nhận được từ CS đến các MH và nhận sóng vô tuyến gửi từ MH để 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 thành phần điện/quang và ngược lại để chuyển về hoặc nhận từ CS. BS gồm 2 thành phần quan trọng nhất là ăng-ten và thành phần chuyển đổi quang/điện ở tần số RF (đối với RF over Fiber).

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 thường rất nhỏ và phục vụ cho một số lượng vài chục đến vài trăm các MH. Central Station (CS): 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 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 cũng được nối đến các tổng đài, server khác. 3 Một tuyến quang nối giữa BS và CS nhằm truyền dẫn tín hiệu giữa chúng với nhau. Các thành phần cơ bản trong kiến trúc RoF Các thành phần thuộc kiến trúc RoF không có chức năng quang như ăng-ten thu phát vô tuyến thuộc phần vô tuyến, chức năng xử lý giao tiếp của CS thuộc phần mạng ta không xét ở đây.

Kỹ thuật RoF được khảo sát ở đây bao gồm tất cả các kỹ thuật phát và truyền dẫn sóng radio từ CS tới BS trên sợi quang và ngược lại. Các kỹ thuật sử dụng trong RoF Nhiều kĩ thuật xử lý tín hiệu quang được sử dụng để tạo và truyền tải tín hiệu cao tần qua sợi quang. Nếu so sánh tần số của tín hiệu RF đi vào một tuyến RoF ở trạm đầu cuối với tần số tín hiệu RF được tạo ra ở RAU thì có thể chia các kĩ thuật RF làm 3 loại: truyền sóng vô tuyến qua sợi quang (RFoF); truyền tín hiệu trung tần qua sợi quang (IFoF) và truyền tín hiệu băng tần cơ sở qua sợi quang (BBoF). RFoF thực sự truyền dẫn các tín hiệu cao tần qua sợi quang.

Trong IFoF và BBoF tín hiệu cao tần được tạo ra tại RAU nhờ bộ nâng tần cùng với một bộ tạo dao động (LO) ở RAU hoặc truyền từ trạm trung tâm tới RAU. Các cơ chế yêu cầu có LO riêng biệt ở RAU sẽ khiến cho RAU đắt hơn, đặc biệt là trong các ứng dụng sóng mm. Các kĩ thuật RoF cũng có thể được phân loại dựa vào các nguyên lý điều chế và tách sóng được sử dụng. Khi đó RoF được chia làm 2 loại: Điều chế biên độ và tách sóng trực tiếp (IM-DD) và tách sóng Heterodyne đầu xa (RHD).

Hệ thống RFoF được xếp vào loại IM-DD. Còn IFoF và BBoF sử dụng LO tại RAU cũng có thể sử dụng IM-DD để truyền số liệu băng tần cơ sở hoặc IF tới RAU. Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp, IFoF và BoF dựa vào RHD để tạo tín hiệu RF. Công nghệ RoF sử dụng kỹ thuật IM-DD Phương thức đơn giản nhất để phân phối tín hiệu RF là điều chế cường độ nguồn sáng với chính tín hiệu RF và sau đó sử dụng tách sóng trực tiếp ở bộ tách sóng quang để khôi phục lại tín hiệu RF.

Phương thức này thuộc về IM-DD và loại RFoF. Có 2 cách để điều chế nguồn sáng: cách thứ nhất là để tín hiệu RF trực tiếp điều chế dòng điện của laser; cách thứ hai là điều khiển laser ở chế độ sóng liên tục và sau đó sử dụng một bộ điều chế ngoài như bộ điều chế Mach-Zehnder (MZM), để điều chế cường độ ánh sáng. Hai trường hợp trên đượcminh họa trong hình 1. Trong cả 2 trường hợp, tín hiệu điều chế là tín hiệu RF thực sự.

Tín hiệu RF phải được điều chế với số liệu trước khi được phát đi. Tạo tín hiệu RF bằng điều chế cường độ (a. Dùng một bộ điều chế ngoài) Sau khi truyền qua sợi và tách sóng trực tiếp tại bộ tách sóng quang, dòng quang điện phải qua bộ khuếch đại phối hợp trở kháng để làm tăng biên độ điện áp trước khi kích thích anten. Công nghệ RoF sử dụng kỹ thuật tách heterodyne đầu xa RHD Trong kỹ thuật optical heterodyne, hai hay nhiều tín hiệu quang được truyền đồng thời và chúng có tính quan hệ với nhau tới đầu thu.

Và một trong số chúng kết hợp với nhau (được gọi là tích với nhau) sẽ tạo ra được tín hiệu vô tuyến ban đầu. Ví dụ 2 tín hiệu quang được phát ở băng tần ở xung quanh bước sóng 1550nm có khoảng cách rất nhỏ 0. Tại đầu thu, sự kết hợp 2 sóng quang này bằng kỹ thuật heterodyne sẽ tạo ra một tín hiệu điện ở tần số 60GHz ban đầu mà ta đã truyền đi. Sơ đồ khối phía thu của kỹ thuật được mô tả trong hình sau: Hầu hết các kĩ thuật RoF đều dựa vào nguyên lí trộn kết hợp (coherent) trong bộ tách sóng quang để tạo ra tín hiệu RF.

Các kỹ thuật này được gọi chung là các kỹ 5 thuật tách sóng heterodyne đầu xa (RHD). Trong khi chuyển đổi quang điện O/E, bộ tách sóng quang cũng đóng vai trò như là một bộ trộn do đó nó trở thành một phần tử chính cấu thành hệ thống RoF dùng kĩ thuật RHD. Sơ đồ khối kỹ thuật tách sóng hetorodyne Nguyên lí trộn kết hợp được minh họa như sau. Hai trường quang có tần số góc và được biểu diễn: E1 E01 cos(1t) (1.2) Nếu cả hai trường tác động lẫn nhau trên một bộ tách sóng quang PIN, dòng tách quang trên bề mặt sẽ tỉ lệ với bình phương của tổng các trường quang.

Dòng tách quang danh định là: i PD  (E1  E2 )2 (1.3) i PD  E 01 E 02 cos1   2 t E 01 E 02 cos1   2 tcác thành phần khác (1.4) Thành phần cần quan tâm là E01 E02 cos t thể hiện rằng, bằng cách điều khiển sự khác biệt về tần số giữa hai trường quang, có thể tạo ra tín hiệu vô tuyến ở bất kỳ tần số nào. Giới hạn trên duy nhất của các tần số vô tuyến được tạo ra bằng phương thức này chính là giới hạn băng thông của bản thân bộ tách sóng quang. Nếu xét các tín hiệu công suất quang thay cho các trường quang thì dòng tách quang được tính: 6 Với R là độ nhạy của bộ tách sóng quang, t là thời gian, p1 (t) và p2 (t) là tín hiệu hai công suất quang tức thời tương ứng với tần số tức thời  (t) và  (t),  (t) và (t) là các pha tức thời của tín hiệu. Phương trình (1.5) cho thấy sự ổn định tần số tức thời của các tín hiệu được tạo ra nhờ RHD phụ thuộc vào độ lệch tần số tức thời giữa 2 sóng mang quang được trộn.

Vì vậy, trong RHD, cần thiết phải điều khiển độ lệch tần số tức thời một cách chính xác để giữ tần số của tín hiệu phát ra ổn định. Thường thì chỉ có một trong hai sóng mang quang được điều chế với số liệu. Có nhiều phương thức tạo ra hai sóng mang quang cho tách sóng heterodyne kết hợp. Phương thức thứ nhất là sử dụng bộ điều chế quang để tạo ra nhiều biên tần quang và sau đó chọn các biên tần cần thiết.

Một phương thức khác là sử dụng 2 nguồn laser riêng biệt. Hai laser được chế tạo để phát ra ánh sáng có tần số (bước sóng) lệch nhau một khoảng bằng tần số vô tuyến mong muốn. Sau đây xin trình bầy một kỹ thuật thuộc phương thức thứ nhất, kỹ thuật tạo hai sóng mang quang sử dụng laser điều tần (FM) và bộ lọc quang [1]. Kĩ thuật điều tần kết hợp lọc quang sử dụng một laser, điều chế tần số quang được thực hiện bằng cách sử dụng một tín hiệu điện để điều khiển laser.

Khi đó laser sẽ phát ra một chuỗi các vạch phổ quang cách nhau một khoảng chính bằng tần số điều khiển f0 như trong hình 1. Hai vạch phổ quang cách nhau một khoảng bằng tần số vô tuyến fRF mong muốn sẽ được chọn ra nhờ sử dụng bộ lọc quang. Tiếp theo, hai sóng quang này được truyền trên sợi quang đến bộ tách sóng quang và trộn kết hợp để tạo ra tín hiệu RF mong muốn theo nguyên tắc như đã trình bày ở trên. Nguyên lý trộn kết hợp (coherent) quang dựa trên laser điều tần 1.

Nhiễu Trên thực tế có rất nhiều hiện tượng, nguyên nhân trên tuyến truyền dẫn cũng như các linh kiện khiến cho chất lượng tín hiệu thu được không như mong muốn. Trong phần này ta sẽ tìm hiểu các nguyên nhân đó và biện pháp để cái thiện chúng.  Nhiễu pha Một trong những nguồn nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống thông tin quang cohenrent đó là nhiễu pha được gây ra bởi laser phát hay nguồn dao động nội. Nhiễu pha hình thành do nhiều nguyên nhân như sự không ổn định tần số phát của laser, hiện tượng chirp, pha không ổn định của thiết bị phát…Ta có: I  t   I ref  2R Ps Pref cos s  ref  cho homodyne (1.6) I  t   I ref  2R Ps Pref cos 0t  s  ref  cho heterodyne (1.7) Ta thấy rằng sự thay đổi về pha của nguồn phát φs hay bộ giao động nội φref đều dẫn tới sự không ổn định về dòng điện thu được ở ngõ ra bộ tách sóng dẫn tới suy giảm SNR.

Để hạn chế hiện tượng nhiễu pha, người ta cần dùng các kỹ thuật để giữ ổn định pha φs của nguồn laser và pha φref của nguồn dao động nội. Nhiễu pha còn gây ra bởi bề rộng phổ của laser. Bề rộng phổ Δv càng nhỏ thì nhiễu pha càng được hạn chế. Vì vậy người ta thường sử dụng laser DFB để làm nguồn phát, độ rộng phổ của laser DFB có thể nằm ở mức 1MHz.

 Mất phối hợp phân cực Trong các bộ tách sóng quang trực tiếp (như bằng photodiode) đã biết thì sự phân cực của tín hiệu quang không đóng vai trò gì bởi vì dòng điện thu được phụ thuộc vào số photon của tia tới. Tuy nhiên trong các bộ thu RHD, sự hoạt động của chúng còn phụ thuộc vào sự phối hợp phân cực của bộ dao động và tín hiệu thu được.