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

• 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

• 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

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.

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.

Hành động tiếp theo: 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.