Đánh giá hiệu năng hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng điều chế SC-QAM

Chuyên khảo phân tích Luận án đánh giá hiệu năng hệ thống fso chuyển tiếp sử dụng điều chế sc qam dưới ảnh hưởng của lỗi, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thông Tin
• Đề tài: Đánh Giá Hiệu Năng Hệ Thống FSO Với Điều Chế SC-QAM Dưới Ảnh Hưởng Lỗi Lệch Tần Số
• Loại tài liệu: Luận Văn
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG FSO
• 1.1. Giới thiệu chương
• 1.2. Máy phát
• 1.3. Kênh truyền dẫn khí quyển
• 1.4. Máy thu
• 1.5. Các yếu tố ảnh hưởng lên hiệu năng hệ thống FSO
• 1.6. Mô hình kênh truyền
• 1.7. Giới thiệu về nhiễu loạn không khí
• 1.8. Tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống FSO

Chương này trình bày mô hình, các phần tử và nguyên lý hoạt động của hệ thống FSO. Suy hao đường truyền phụ thuộc vào thời tiết, nhiễu loạn khí quyển và lỗi lệch tia. Các tham số đường truyền được mô hình hóa bởi mô hình trạng thái kênh. Mô hình pha-đinh do lệch tia giữa máy phát và máy thu trong điều kiện rung lắc của các tòa nhà cũng được đề cập. Các tham số hiệu năng như tỷ lệ lỗi ký tự trung bình và dung lượng kênh trung bình cho các cấu hình khác nhau của hệ thống được trình bày ở phần cuối của chương. Nội dung chính của chương sẽ tập trung khảo sát tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ thể hiện mức độ nhiễu loạn của khí quyển, mô hình trạng thái kênh Log-Normal và Gamma-Gamma của hệ thống FSO, cùng với mô hình pha-đinh do lệch tia giữa máy phát và máy thu.

1.1 Mô hình một hệ thống FSO

Một hệ thống FSO gồm ba phần: máy phát, kênh truyền và máy thu. Máy phát có chức năng chính là điều chế dữ liệu băng gốc thành tín hiệu quang. Phương thức điều chế phổ biến là điều chế cường độ (IM). Tín hiệu quang sau khi điều chế được phát qua môi trường khí quyển tới máy thu. Nguồn quang có thể là LED hoặc LASER, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng hệ thống. Hệ thống FSO thường hoạt động trong các cửa sổ truyền dẫn 780-850 nm và 1520-1600 nm. Cửa sổ 780-850 nm được sử dụng rộng rãi nhất do chi phí thấp, trong khi 1550 nm có ưu điểm về an toàn cho mắt và khả năng truyền dẫn tốt trong điều kiện sương mù.

1.2 Kênh truyền dẫn khí quyển

Kênh truyền dẫn của hệ thống FSO có thể là trong không gian vũ trụ, dưới nước hoặc trong khí quyển. Kênh truyền khí quyển chứa các phần tử khí, bụi và có các loại hình thời tiết như mưa, sương mù. Sự nhiễu loạn khí quyển gây ra tỷ lệ lỗi lớn do sự dao động của tín hiệu thu được. Các yếu tố như lỗi lệch tia, sự trôi búp, chùm tia bị phân kỳ và sự nhấp nháy đều ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống FSO. Sự thay đổi về nhiệt độ, áp suất và tốc độ gió cũng góp phần vào sự nhiễu loạn này.

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng hệ thống FSO

Hiệu năng của hệ thống FSO bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố môi trường như sương mù, sự nhấp nháy, sự lệch tia và nhiễu trong hệ thống. Sương mù có thể làm giảm mật độ công suất của búp sóng, trong khi sự nhấp nháy gây ra biến đổi không gian của cường độ sáng. Sự lệch tia do gió và rung lắc của tòa nhà có thể làm giảm khả năng thu tín hiệu. Nhiễu trong hệ thống FSO chủ yếu đến từ nhiễu lượng tử và nhiễu nhiệt, ảnh hưởng đến khả năng tách sóng của bộ thu quang.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống truyền thông quang không dây trong không gian tự do (Free Space Optics - FSO) ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhờ khả năng truyền tải dữ liệu tốc độ cao, chi phí thấp và dễ triển khai. Theo ước tính, các hệ thống FSO hoạt động chủ yếu trong các cửa sổ truyền dẫn bước sóng từ 780 đến 850 nm và 1520 đến 1600 nm, với mức suy hao đường truyền khoảng 0,2 dB/km trong điều kiện khí quyển thuận lợi. Tuy nhiên, hiệu năng của hệ thống FSO chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi các yếu tố môi trường như sương mù, nhiễu loạn khí quyển và lỗi lệch tia giữa máy phát và máy thu, đặc biệt trong các khu vực đô thị với điều kiện rung lắc tòa nhà và biến động thời tiết phức tạp.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc phân tích và đánh giá hiệu năng của hệ thống FSO điểm-điểm sử dụng kỹ thuật truyền dẫn chuyển tiếp khuếch đại (Amplify-and-Forward - AF) kết hợp điều chế cường độ sóng mang cầu phương (Subcarrier Quadrature Amplitude Modulation - SC-QAM). Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của các tham số đường truyền như suy hao, nhiễu loạn khí quyển theo mô hình Log-Normal và Gamma-Gamma, cũng như lỗi lệch tia thu phát đến tỷ lệ lỗi ký tự trung bình (ASER) và dung lượng kênh trung bình (ACC). Phạm vi nghiên cứu bao gồm các khoảng cách truyền dẫn từ 1 km đến 8 km, với các mức điều chế SC-QAM đa dạng và số lượng trạm chuyển tiếp từ 0 đến 2.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa thiết kế hệ thống FSO, mở rộng cự ly truyền dẫn, nâng cao độ tin cậy và dung lượng truyền tải trong các điều kiện khí quyển thực tế, góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ FSO trong mạng viễn thông hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình chính sau:

• Mô hình trạng thái kênh truyền FSO: Bao gồm các thành phần suy hao đường truyền (theo định luật Beer-Lambert), nhiễu loạn khí quyển (mô hình Log-Normal cho nhiễu loạn yếu và Gamma-Gamma cho nhiễu loạn trung bình đến mạnh), và lỗi lệch tia thu phát được mô hình hóa bằng phân bố Rayleigh.

• Mô hình điều chế SC-QAM: Kỹ thuật điều chế cường độ sóng mang cầu phương kết hợp điều chế biên độ và pha, giúp tăng dung lượng kênh truyền và khả năng chống nhiễu.

• Kỹ thuật truyền dẫn chuyển tiếp khuếch đại (AF): Tín hiệu được khuếch đại và chuyển tiếp qua các nút trung gian nhằm mở rộng cự ly truyền dẫn và cải thiện hiệu năng hệ thống.

• Kỹ thuật phân tập MIMO và tổ hợp tín hiệu: Sử dụng bộ tổ hợp cùng độ lợi (Equal-Gain Combining - EGC) để nâng cao tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) tại máy thu.

Các khái niệm chính bao gồm tỷ lệ lỗi ký tự trung bình (ASER), dung lượng kênh trung bình (ACC), tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ (Cn²), chỉ số nhấp nháy (SI), và các tham số mô hình hóa nhiễu loạn khí quyển.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu được thu thập từ các phép đo thực tế tại trạm khí tượng Hà Nội và các mô hình thực nghiệm trong lĩnh vực truyền thông quang không dây. Phương pháp phân tích bao gồm:

• Xây dựng mô hình toán học giải tích cho trạng thái kênh truyền FSO kết hợp các yếu tố suy hao, nhiễu loạn khí quyển và lệch tia.

• Tính toán hàm mật độ xác suất (PDF) của SNR dựa trên mô hình Log-Normal và Gamma-Gamma, áp dụng hàm Meijer-G để biểu diễn các phân bố phức tạp.

• Mô phỏng hiệu năng hệ thống qua các tham số ASER và ACC với các cấu hình điều chế SC-QAM khác nhau (4×4, 8×4, 8×8), số trạm chuyển tiếp (c = 0, 1, 2), và khoảng cách truyền dẫn (1 km đến 8 km).

• Sử dụng phương pháp mô phỏng Monte-Carlo để kiểm chứng kết quả tính toán lý thuyết.

• Thời gian nghiên cứu tập trung vào các điều kiện khí quyển khác nhau, đặc biệt là tháng 6 tại Hà Nội, nhằm phản ánh thực trạng môi trường truyền dẫn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của khoảng cách truyền dẫn và số trạm chuyển tiếp đến ASER:
   Với điều chế 8×4 QAM trong môi trường nhiễu loạn khí quyển yếu (Cn² = 10⁻¹⁵ m⁻²/³), khi tăng khoảng cách từ 2000 m lên 8000 m, ASER tăng đáng kể. Việc tăng số trạm chuyển tiếp từ 0 lên 2 giúp giảm SNR cần thiết khoảng 5 dB tại ASER = 10⁻³, cải thiện hiệu năng hệ thống rõ rệt.

2. Tác động của mức điều chế SC-QAM:
   ASER tăng theo mức điều chế, ví dụ tại L = 6000 m, ASER của 4×4 QAM với c = 1 gần bằng 8×4 QAM với c = 0. Tăng số trạm chuyển tiếp giúp giảm SNR cần thiết khoảng 3 dB cho cùng ASER, cho thấy sự cân bằng giữa mức điều chế và cấu hình hệ thống là cần thiết.

3. Ảnh hưởng của lỗi lệch tia:
   ASER biến đổi theo bán kính tia phát (ω₀) có giá trị tối ưu khoảng 0,022 m, tại đó ASER đạt thấp nhất. Tăng số trạm chuyển tiếp từ 1 lên 3 giúp giảm ASER từ 10⁻² xuống 10⁻³ trong điều kiện jitter σ_s = 0,20 m và bán kính khẩu độ thu r = 0,075 m. Độ lệch chuẩn jitter ảnh hưởng mạnh đến ASER ở vùng giá trị nhỏ, giảm dần khi σ_s tăng.

4. So sánh mô hình Log-Normal và Gamma-Gamma:
   Mô hình Gamma-Gamma cho thấy hiệu năng hệ thống dịch về phía giá trị SNR lớn hơn so với Log-Normal, nghĩa là trong điều kiện nhiễu loạn trung bình đến mạnh, hệ thống cần SNR cao hơn để đạt hiệu năng tương đương.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy việc sử dụng kỹ thuật truyền dẫn chuyển tiếp AF kết hợp điều chế SC-QAM giúp mở rộng cự ly truyền dẫn và cải thiện hiệu năng hệ thống FSO trong điều kiện khí quyển thực tế. Sự gia tăng số trạm chuyển tiếp làm giảm đáng kể yêu cầu SNR để đạt tỷ lệ lỗi ký tự thấp, đồng thời giảm ảnh hưởng tiêu cực của lỗi lệch tia và nhiễu loạn khí quyển.

So với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào mô hình kênh đơn hoặc chưa xét đầy đủ các tham số đường truyền, nghiên cứu này cung cấp mô hình giải tích toàn diện hơn, bao gồm cả suy hao, nhiễu loạn và lệch tia, đồng thời áp dụng điều chế SC-QAM hiện đại. Kết quả mô phỏng Monte-Carlo khẳng định tính chính xác của mô hình lý thuyết.

Việc xác định giá trị tối ưu của bán kính tia phát và khẩu độ thu giúp thiết kế hệ thống phù hợp, cân bằng giữa công suất phát và khả năng thu nhận tín hiệu, giảm thiểu tỷ lệ lỗi. Ngoài ra, lựa chọn mức điều chế phù hợp với số trạm chuyển tiếp và điều kiện môi trường là yếu tố then chốt để tối ưu hóa hiệu năng và chi phí triển khai.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường sử dụng trạm chuyển tiếp AF trong hệ thống FSO:
   Để mở rộng cự ly truyền dẫn trên 6 km, nên triển khai từ 1 đến 2 trạm chuyển tiếp nhằm giảm yêu cầu SNR và cải thiện tỷ lệ lỗi ký tự. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: các nhà cung cấp thiết bị và nhà mạng.

2. Tối ưu hóa thiết kế bán kính tia phát và khẩu độ thu:
   Khuyến nghị thiết kế bán kính tia phát khoảng 0,022 m và khẩu độ thu lớn hơn 0,05 m để đạt hiệu năng tối ưu, giảm thiểu ảnh hưởng của lệch tia. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng, chủ thể: phòng nghiên cứu và phát triển thiết bị.

3. Lựa chọn mức điều chế SC-QAM phù hợp với điều kiện môi trường:
   Trong môi trường nhiễu loạn khí quyển yếu, có thể sử dụng mức điều chế cao (8×8 QAM) để tăng dung lượng; trong điều kiện nhiễu loạn mạnh, nên ưu tiên mức điều chế thấp hơn để đảm bảo độ tin cậy. Thời gian thực hiện: liên tục trong quá trình vận hành, chủ thể: kỹ sư vận hành mạng.

4. Phát triển hệ thống điều khiển ngưỡng thích ứng và đồng bộ hóa tín hiệu:
   Áp dụng các thuật toán điều chỉnh ngưỡng đóng mở và đồng bộ hóa tín hiệu để giảm thiểu lỗi do biến động môi trường và lệch tia, nâng cao hiệu quả điều chế SC-QAM. Thời gian thực hiện: 12-18 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu và phát triển phần mềm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành truyền thông quang:
   Học hỏi mô hình kênh truyền FSO chi tiết, phương pháp phân tích hiệu năng và ứng dụng điều chế SC-QAM trong môi trường thực tế.

2. Kỹ sư thiết kế và phát triển hệ thống viễn thông:
   Áp dụng các kết quả nghiên cứu để tối ưu hóa thiết kế hệ thống FSO, lựa chọn cấu hình phù hợp với điều kiện khí quyển và yêu cầu truyền dẫn.

3. Các nhà cung cấp thiết bị truyền thông quang:
   Nắm bắt các thông số kỹ thuật quan trọng như bán kính tia phát, khẩu độ thu, số trạm chuyển tiếp và mức điều chế để phát triển sản phẩm phù hợp.

4. Nhà quản lý và hoạch định chính sách viễn thông:
   Đánh giá tiềm năng và hạn chế của công nghệ FSO trong việc mở rộng mạng lưới truyền dẫn, từ đó xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển hạ tầng viễn thông hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống FSO chịu ảnh hưởng như thế nào bởi điều kiện thời tiết?
   Sương mù, mưa và nhiễu loạn khí quyển làm suy giảm công suất tín hiệu, tăng tỷ lệ lỗi. Ví dụ, sương mù gây tán xạ photon mạnh, làm giảm cự ly truyền dẫn hiệu quả.

2. Tại sao cần sử dụng trạm chuyển tiếp trong hệ thống FSO?
   Trạm chuyển tiếp giúp mở rộng cự ly truyền dẫn, giảm suy hao và cải thiện tỷ lệ lỗi ký tự. Nghiên cứu cho thấy tăng số trạm từ 0 lên 2 có thể giảm SNR cần thiết khoảng 5 dB.

3. Điều chế SC-QAM có ưu điểm gì so với OOK hay PPM?
   SC-QAM tăng dung lượng kênh, không yêu cầu ngưỡng đóng mở thích ứng phức tạp như OOK, và sử dụng băng thông thấp hơn PPM, phù hợp với mạng đa sóng mang hiện đại.

4. Lỗi lệch tia ảnh hưởng thế nào đến hiệu năng hệ thống?
   Lệch tia làm giảm công suất thu, tăng tỷ lệ lỗi. Giá trị bán kính tia phát tối ưu khoảng 0,022 m giúp giảm thiểu ảnh hưởng này, đồng thời tăng khẩu độ thu cũng cải thiện hiệu năng.

5. Mô hình Log-Normal và Gamma-Gamma khác nhau ra sao trong mô phỏng nhiễu loạn khí quyển?
   Log-Normal phù hợp với nhiễu loạn yếu, Gamma-Gamma mô tả chính xác hơn trong điều kiện nhiễu loạn trung bình đến mạnh, tuy nhiên yêu cầu SNR cao hơn để đạt hiệu năng tương đương.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xây dựng mô hình giải tích toàn diện cho hệ thống FSO điểm-điểm sử dụng truyền dẫn chuyển tiếp AF và điều chế SC-QAM, bao gồm các yếu tố suy hao, nhiễu loạn khí quyển và lỗi lệch tia.

• Kết quả cho thấy tăng số trạm chuyển tiếp giúp giảm đáng kể SNR cần thiết để đạt tỷ lệ lỗi ký tự thấp, mở rộng cự ly truyền dẫn hiệu quả.

• Mức điều chế SC-QAM cần được lựa chọn phù hợp với điều kiện môi trường và cấu hình hệ thống để cân bằng giữa dung lượng và độ tin cậy.

• Giá trị tối ưu của bán kính tia phát và khẩu độ thu được xác định, góp phần vào thiết kế hệ thống FSO hiệu quả.

• Các kết quả mô phỏng Monte-Carlo xác nhận tính chính xác của mô hình lý thuyết, tạo cơ sở cho ứng dụng thực tiễn và phát triển công nghệ FSO trong tương lai.

Áp dụng các kết quả nghiên cứu để thiết kế và triển khai thử nghiệm hệ thống FSO chuyển tiếp tại các khu vực đô thị, đồng thời phát triển thuật toán điều khiển ngưỡng thích ứng và đồng bộ hóa tín hiệu nhằm nâng cao hiệu năng hệ thống trong điều kiện thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG FSO 1. Giới thiệu chƣơng Nội dung của chương này trình bày về mô hình, các phần tử và nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền thông quang không dây. Suy hao đường truyền phụ thuộc vào thời tiết, nhiễu loạn khí quyển và lỗi lệch tia, các tham số đường truyền được mô hình hóa bởi mô hình trạng thái kênh. Ngoài ra, mô hình pha-đinh do lệch tia giữa máy phát và máy thu trong điều kiện rung lắc của các tòa nhà cũng được trình bày trong chương này.

Các tham số hiệu năng như tỷ lệ lỗi ký tự trung bình và dung lượng kênh trung bình cho các cấu hình khác nhau của hệ thống được trình bày ở phần cuối của chương. Nội dung chính của chương sẽ tập trung khảo sát tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ thể hiện mức độ nhiễu loạn của khí quyển, mô hình trạng thái kênh Log-Normal và Gamma-Gamma của hệ thống FSO, mô hình pha-đinh do lệch tia giữa máy phát và máy thu. Mô hình một hệ thống FSO Về cơ bản, một hệ thống truyền thông quang không dây FSO gồm ba phần: máy phát, kênh truyền và máy thu, sơ đồ khối của hệ thống FSO điểm hình được thể hiện như Hình 1. Máy phát Kênh truyền FSO Máy thu Thấu kính Thấu kính thu phát Hấp thụ Tán xạ Nhiễu bức Nhiễu loạn xạ nền Bộ tách sóng quang Nguồn quang (LED/LASER) Bộ giải điều chế Số liệu Số liệu khôi phục phát được Bộ điều chế Xử lý thông và điều khiển tin Hình 1.

Sơ đồ hệ thống FSO với sự sự nhiễu loạn không khí 1 1. Máy phát Máy phát có chức năng chính là điều chế dữ liệu băng gốc thành tín hiệu quang, tín hiệu quang này sau đó sẽ được truyền qua không gian tới máy thu. Phương thức điều chế được sử dụng phổ biến là điều chế cường độ (IM), trong đó cường độ bức xạ quang của nguồn quang được điều chế bởi số liệu cần truyền đi. Ngoài phương thức điều chế trực tiếp, có thể sử dụng phương thức điều chế ngoài.

Sử dụng 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 tần số, pha và trạng thái phân cực cũng có thể được sử dụng để điều chế cùng với dữ liệu thông qua việc sử dụng bộ điều chế ngoài. Tín hiệu sau khi điều chế từ nguồn quang (LED hoặc LASER) được tập hợp bởi một thấu kính và phát qua môi trường khí quyển tới máy thu. Nguồn quang được sử dụng có thể là LED hoặc LASER tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng hệ thống.

Trong khoảng bước sóng từ 700  10000 nm có rất nhiều cửa sổ truyền dẫn hầu như trong suốt với mức suy hao nhỏ ở 0,2dB/km. Tuy nhiên, hầu hết các hệ thống FSO đều được thiết kế để hoạt động trong các cửa sổ truyền dẫn 780  850 nm và 1520  1600 nm. Cửa sổ truyền dẫn 780  850 nm là được sử dụng rộng rãi nhất, bởi vì thiết bị và các thành phần của hệ thống có thể được sản xuất và triển khai với chi phí thấp khi hoạt động ở những bước sóng trong cửa sổ truyền dẫn này. Tuy nhiên, dải tần 1550 nm đã và đang được sử dụng nhiều bởi nhiều lý do.

Thứ nhất, hệ thống sử dụng bước sóng 1550 nm tương thích với mạng ghép kênh phân chia theo bước sóng ở cửa sổ truyền dẫn thứ 3. Thứ hai, bước sóng   1550 nm an toàn cho mắt hơn đối với các bước sóng khác. Thứ ba, là hạn chế tán xạ và nhiễu trong sương mù, điều này dẫn đến kết quả là tại bước sóng   1550 nm công suất truyền dẫn được tăng lên đáng kể khi vượt qua suy hao do sương mù. Tuy nhiên, hạn chế của dải sóng   1550 nm là độ nhạy của máy thu giảm, tuy nhiên độ giảm này là không đáng kể.

Giá thành sản xuất linh kiện cao hơn và yêu cầu việc giữ thẳng hướng giữa máy phát và máy thu trong điều kiện rung lắc của các tòa nhà. Một số loại nguồn quang LED và LASER sử dụng phổ biến trong hệ thống truyền thông quang không dây FSO được liệt kê trong Bảng 1. Một số loại nguồn quang sử dụng trong FSO [79] Bƣớc sóng Loại nguồn quang Đặc điểm (nm) Gần hồng ngoại Hồng ngoại LED Mạch điều khiển đơn giản gần Công suất và tốc độ dữ liệu thấp hơn Không xuyên qua thủy tinh Thành phần chế tạo không có sẵn Thác lượng tử ~10000 Truyền dẫn trong sương mù tốt hơn Đắt tiền và tương đối mới Rất nhanh và độ nhạy cao Độ dốc hiệu quả (0,03 – 0,2 W/A) LASER Tốc độ cao (lên tới 40 Gb/s) Tương thích với bộ khuếch đại EDFA Fabry-Perot ~1300/~1550 Mật độ công suất cao hơn 50 lần (100 nW/cm2) Tiêu chuẩn an toàn cho mắt thấp hơn Phát xạ mặt Không có hoạt động làm mát, mật độ khoang cộng ~850 công suất thấp, tốc độ ~10 Gb/s hưởng dọc Rẻ và có tính khả dụng 1. Kênh truyền dẫn khí quyển Kênh truyền dẫn của hệ thống FSO có thể là trong không gian vũ trụ giữa các vệ tinh, dưới nước, trong khí quyển hoặc là sự kết hợp của các loại môi trường trên trong cùng một tuyến thông tin.

Kênh truyền khí quyển chứa các phần tử khí, các hạt bụi, khói và có các loại hình thời tiết như: mưa, sương mù, sự bốc hơi nước có ảnh hưởng khá lớn tới điều kiện nhiễu loạn của kênh truyền. Mật độ của các hạt cao nhất ở gần bề mặt trái đất và giảm dần khi tăng độ cao tới tầng điện ly. Sự phân bố các loại khí tiêu biểu được liệt kê trong Bảng 1. Phân bố các loại khí tiêu biểu kênh truyền khí quyển [69] Ký hiệu hóa Khối lƣợng phân Tỷ lệ trong khí quyển Thành phần khí chất tử trung bình (phần triệu) Nitrogen N2 28,013 780,840 Oxygen O2 31,999 209,460 Argon Ar 39,948 9,340 Cac bo níc CO2 44,010 384 Neon Ne 20,180 18,18 Helium He 4,003 5,24 Methane CH4 16,043 1,774 Krypton Kr 83,798 1,14 Hydrogen H2 2,016 0,56 Nitrous oxide N2 O 44,012 0,320 Ozone O3 47,998 0,01-0,10 Xenon Xe 131,293 0,09 Khi bức xạ quang truyền qua không khí, một số hạt photon bị hấp thụ bởi các nguyên tử khí có mặt trong khí quyển và năng lượng của các hạt photon bị hấp thụ được chuyển thành nhiệt, trong khi đó những photon khác không bị mất năng lượng tuy nhiên hướng đi của chúng bị thay đổi (hiện tượng này gọi là tán xạ).

Tia bức xạ quang cũng bị mở rộng trong quá trình truyền lan dẫn đến bán kính tia bức xạ thu được lớn hơn bán kính màn chắn thu của máy thu quang. Một đặc điểm quan trọng khác của kênh truyền trong khí quyển đó là hiện tượng nhiễu loạn khí không khí, sự nhiễu loạn không khí phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất không khí, độ cao tia truyền, tốc độ gió…, sự nhiễu loạn của khí quyển gây nên giữa các lớp không khí khác nhau có sự thay đổi về chiết suất, chính vì vậy mà kênh truyền nhiễu loạn không khí rất dễ thay đổi, khó dự đoán, chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của các điều kiện thời tiết gây nên sự dao động cả về pha lẫn cưỡng độ của bức xạ quang trong quá trình truyền lan trên kênh truyền. Kết quả là gây nên tỷ lệ lỗi rất lớn do sự dao động của tín hiệu thu được. Sự nhiễu loạn của khí quyển ảnh hưởng đến hệ thống FSO bao gồm: 4 - Lỗi lệch tia: Tia bức xạ quang do ảnh hưởng của nhiễu loạn không khí bị lệch khỏi đường truyền thẳng ban đầu của nó.

Điều này khiến máy thu gặp khó khăn khi thu bức xạ quang và có thể là hoàn toàn không thu được khi bức xạ quang bị lệch quá mức. - Sự trôi búp: Tâm của tia thu được bị di chuyển trên mặt phẳng thu của màn chắn thu do sự thay đổi về góc tới của tia sáng. - Chùm tia bị phân kỳ: Độ phân kỳ của chùm tia bức xạ bị tăng lên do hiện tượng tán xạ, điều này dẫn tới sự suy giảm về mật độ công suất của bức xạ thu. - Sự nhấp nháy: Sự nhấp nháy là sự biến đổi về không gian của cường độ sáng gây ra bởi sự nhiễu loạn không khí, gió và sự thay đổi nhiệt độ tạo ra những túi khí có mật độ thay đổi nhanh dẫn tới sự thay đổi nhanh chỉ số chiết xuất, đó chính là nguyên nhân gây ra sự nhiễu loạn.

Các túi khí này đóng vai trò như những thấu kính có đặc tính thay đổi theo thời gian và làm ảnh hưởng đến hiệu năng của các hệ thống FSO tăng mạnh, đặc biệt là khi có ánh sáng mặt trời. - Sự thay đổi phân cực: Khi tia bức xạ đi qua môi trường nhiễu loạn, trạng thái phân cực của tia bức xạ sẽ bị thay đổi. Tuy nhiên với tia bức xạ phân cực ngang, sự thay đổi về trạng thái phân cực này có thể bỏ qua. Máy thu Máy thu hỗ trợ việc khôi phục các dữ liệu đã được phát đi từ phía phát sau khi đã chịu ảnh hưởng của môi trường.

Tại phía thu, tín hiệu quang được tập trung lại và được tách, cùng với sự xuất hiện của nhiễu, bức xạ nền và méo tín hiệu. Các tham số quan trọng của trường quang tại máy thu là kích thước thấu kính thu và công suất tín hiệu quang thu được, các tham số này xác định lượng ánh sáng tập trung vào bộ tách quang. Với hệ thống thông tin quang, với một mức công suất phát, nếu sử dụng bộ thu có kích thước lớn thì SNR của bộ thu sẽ tăng. Tuy nhiên, điều này đồng nghĩa với điện dung của bộ thu cũng tăng, làm giới hạn băng thông của máy thu.

Máy thu trong hệ thống FSO bao gồm các thành phần. - Thấu kính thu: Là phần tử thu tín hiệu quang, có chức năng thu thập và tập trung bức xạ quang đến máy thu vào bộ tách sóng quang. Khẩu độ thấu kính thu lớn thì sẽ có khả năng thu thập và tập trung nhiều bức xạ vào bộ tách sóng quang. - Bộ lọc thông dải quang: Có nhiệm vụ lọc và làm giảm bớt bức xạ nền.

5 - Bộ tách sóng quang: Có nhiệm vụ chuyển bức xạ quang đến thành tín hiệu điện, các bộ tách sóng quang thường được sử dụng trong các hệ thống truyền thông quang hiện nay là PIN hoặc APD và được liệt kê trong Bảng 1.