MỞ ĐẦU 1. Bối cảnh nghiên cứu Truyền thông quang không dây (Wireless Optical Communications_WOC) là công nghệ sử dụng sóng mang quang để truyền tải số liệu qua không gian. Các ưu điểm nổi bật mà hệ thống truyền thông quang không dây có được bao gồm tốc độ truyền bit cao, không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ, không yêu cầu xin cấp phép tần số, chi phí hiệu quả, triển khai nhanh và linh hoạt [51], [72]. Trong thời gian gần đây, các hướng nghiên cứu đối với truyền thông quang không dây đang nổi lên như là một công nghệ có thể phát triển cho các ứng dụng không dây băng rộng trong nhà và ngoài trời cho truyền thông không dây tương lai.
Các hệ thống truyền thông quang không dây trong nhà điển hình bao gồm hệ thống truyền thông hồng ngoại (Infrared Radiation_IR) và hệ thống truyền thông sử dụng bước sóng ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communication_VLC), các hệ thống này do được triển khai trong nhà và cự ly truyền dẫn ngắn nên ít chịu ảnh hưởng của môi trường không khí như suy hao, nhiễu loạn không khí, sự lệch tia giữa máy phát và máy thu. Các hệ thống truyền thông quang không dây ngoài trời hay thường được gọi là truyền thông quang trong không gian tự do (Free-Space Optical_FSO), là công nghệ truyền thông tin, dữ liệu giữa hai điểm sử dụng bức xạ quang như là tín hiệu mang tin và được truyền qua các kênh truyền tự do. Dữ liệu cần truyền được điều chế vào cường độ, pha, hoặc tần số của bức xạ quang mang tin. Một đường truyền dẫn FSO về cơ bản là đường truyền dẫn thẳng (Line-Of- Sight_LOS).
Do cự ly truyền dẫn xa, chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn nên việc triển khai hệ thống FSO vẫn còn hạn chế. Kênh truyền tự do 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. FSO là một công nghệ đã có từ lâu đời sử dụng sự truyền lan ánh sáng trong không gian để truyền tín hiệu giữa hai điểm, truyền thông tin quang trong môi trường tự do được đặt nền móng lần đầu tiên bởi thí nghiệm Photophone thực hiện bởi Alexander Graham Bell vào năm 1880. Trong thí nghiệm của mình, Bell đã điều chế bức xạ của mặt trời với tín hiệu âm thanh và truyền qua khoảng cách khoảng 200 m.
Máy thu được làm từ một chiếc gương parabol với một tế bào Selen đặt tại tiêu điểm. Tuy nhiên, thí nghiệm cho kết quả không thực sự tốt do thiết bị sử dụng thô sơ và sự gián đoạn tự nhiên của bức xạ mặt trời [51]. xv Những năm 1960 với sự tìm ra các nguồn quang LED, Laser đã đánh dấu sự phát triển của công nghệ FSO, hàng loạt các nghiên cứu về FSO đã được thực hiện từ những năm đầu 1960 đến những năm 1970. Các tuyến FSO đã triển khai thực hiện các liên kết tốc độ cao giữa các tòa nhà, các video an ninh theo dõi và giám sát tốc độ cao, kết nối đường trục cho các mạng di động thế hệ tiếp theo, các kết nối khắc phục thảm họa và các kết nối từ mặt đất tới vệ tinh [3], [14], [78].
Các thí nghiệm kết nối giữa các vệ tinh [26] của châu Âu thực hiện truyền dữ liệu thông qua một liên kết quang giữa các vệ tinh SPOT-4 và Artemis đạt được tốc độ truyền dữ liệu là 50 Mbps [26], kết nối tuyến FSO giữa mặt đất – vệ tinh được tiến hành giữa vệ tinh ETS-VI và trạm mặt đất quang học (OGS) ở Konegi, Nhật Bản [53]. Để có thể đáp ứng yêu cầu truyền thông băng rộng và đạt được cự ly xa, hệ thống FSO cần vượt qua các thách thức như sự suy hao trong không khí, nhiễu loạn khí quyển dưới sự tác động của các yếu tố thời tiết như sương mù, gió, mưa và tuyết. Một số vấn đề khó khăn trong việc triển khai các hệ thống FSO trong thực tế bao gồm các tác động của sự tán xạ, hấp thụ, nhiễu loạn khí quyển và lỗi lệch tia thu phát. Trong các yếu tố tác động này, nhiễu loạn của khí quyển và lỗi lệch tia là những yếu tố tác động lớn nhất và chúng được nghiên cứu nhiều nhất trong các hệ thống truyền thông quang không dây.
Nhiễu loạn khí quyển có nguyên nhân từ sự không đồng nhất về nhiệt độ và áp suất khí quyển, mô hình đầy đủ về nhiễu loạn khí quyển được trình bày trong [3], [47]. Nhiễu loạn khí quyển được đặc trưng chủ yếu bởi tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ (Cn2 ). Các mô hình thực nghiệm thể hiện cường độ nhiễu loạn khí quyển qua tham số Cn2 được trình bày trong [51]. Một số nghiên cứu điển hình về đánh giá ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển đến hiệu năng của hệ thống thông qua tham số tỷ lệ lỗi bít (Bit Error Rate_BER) như: mô hình nhiễu loạn Nakagami-m sử dụng điều chế biên độ cầu phương (Quadrature Amplitude Modulation_QAM) [4], mô hình Gamma-Gamma sử dụng điều chế cường độ tách sóng trực tiếp (Intensity Modulation/Direct Detection_IM/DD) [20], [28]; mô hình Gamma-Gamma sử dụng điều chế khóa dịch pha (Phase-shift Keying_PSK) [38] và điều chế biên độ cầu phương QAM [41].
Các nghiên cứu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển đến hiệu năng của hệ thống qua tham số dung lượng kênh trung bình (Average Channel Capacity_ACC) như: sử dụng mô hình nhiễu loạn Log-Normal được trình bày trong các nghiên cứu [5], [6], đánh giá dung lượng kênh sử dụng các cấu hình phân tập khác nhau [7]; sử dụng mô hình kênh Gamma-Gamma kết hợp với kỹ thuật nhiều xvi đầu vào nhiều đầu ra (Multipe-Input Multipe-Output_MIMO) được phân tích trong [12]; sử dụng mô hình kênh Log-Normal và Gamma-Gamma được khảo sát trong [32]. Ngoài ra các công trình nghiên cứu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển đến hiệu năng của hệ thống qua tham số tỷ lệ lỗi ký tự trung bình (Average Symbol Error Rate_ASER) sử dụng điều chế QAM và kỹ thuật MIMO được đánh giá trong [30], [31], hay sử dụng điều chế QAM được thể hiện trong [41]. Các nghiên cứu đánh giá hiệu năng của hệ thống FSO dưới sự nhiễu loạn của khí quyển chủ yếu tập trung vào hệ thống FSO điểm-điểm, thường tập trung sử dụng các giải pháp kỹ thuật một cách riêng lẻ và trong một điều kiện nhiễu loạn nhất định mà chưa có sự kết hợp nhiều giải pháp kỹ thuật đồng thời, dẫn đến khả năng cải thiện hiệu năng hệ thống còn hạn chế. Lỗi lệch tia hay còn được gọi là tổn hao lệch hướng là một dạng tổn hao bắt nguồn từ sự lệch hướng tia truyền giữa máy phát và máy thu.
Sự lệch tia xảy ra do sự trôi búp [47], sự rung lắc của các điểm đặt máy thu phát trên các tòa nhà [10]. Điểm thu phát hệ thống FSO được đặt ở các vị trí cao của các tòa nhà, nên chịu sự tác động của gió, giãn nở nhiệt của các tòa nhà, động đất dẫn đến lỗi lệch tia đường truyền LOS của hệ thống. Ảnh hưởng của lỗi lệch tia đến dung lượng kênh được trình bày trong các nghiên cứu [1], [2], [44]. Trong công bố [1] và [2] nhóm tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của lỗi lệch tia lên hiệu năng hệ thống FSO điểm-điểm, tuy nhiên hệ thống này không sử dụng các trạm chuyển tiếp nên khoảng cách đường truyền còn hạn chế khi lỗi lệch tia tăng lên.
Trong công bố [44], S. Tombras và cộng sự nghiên cứu ảnh hưởng của lệch tia lên hiệu năng hệ thống FSO chuyển tiếp, tuy nhiên phương thức điều chế sử dụng là kỹ thuật đóng-mở khóa (On-Off Keying_OOK) mà chưa xét đối với các phương thức điều chế tiên tiến đang được nghiên cứu hiện nay. Đánh giá hiệu năng hệ thống sử dụng điều chế OOK dưới ảnh hưởng của lỗi lệch tia có thể được tìm thấy trong các công trình [13], [23], [36] cũng như ảnh hưởng lỗi lệch tia lên tham số BER [27], [64] và ảnh hưởng của lỗi lệch tia lên tham số ASER [49] của hệ thống FSO. Ngoài ra, ảnh hưởng của lỗi lệch tia đến hiệu năng của hệ thống FSO với các mô hình kênh nhiễu loạn được đánh giá qua tham số dung lượng kênh trung bình ACC sử dụng mô hình Log-Normal được nghiên cứu trong [5], [6], [73]; tham số tỷ lệ lỗi ký tự trung bình ASER sử dụng điều chế QAM [30], [31]; sử dụng điều chế PPM [54]; mô hình Nakagami [4], [29], mô hình I-K [21], [35], [46].
Và đặc biệt trong môi trường nhiễu loạn mạnh, hiệu năng hệ thống này sử dụng mô hình Gamma-Gamma với các phương thức điều chế khác nhau được phân tích trong [11], [28], [34], [38], [60]. Các nghiên cứu đánh giá xvii hiệu năng hệ thống FSO dưới sự ảnh hưởng của lỗi lệch tia này hầu hết đối với hệ thống FSO điểm-điểm. Các kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống FSO cho thấy, chúng chịu ảnh hưởng một cách đáng kể của nhiễu loạn khí quyển và lỗi lệch tia. Dưới ảnh hưởng của các yếu tố này, để đảm bảo hiệu năng truyền dẫn ở mức ngưỡng cho phép, các hệ thống FSO chỉ nên giới hạn cự ly truyền dẫn trong khoảng vài km.
Nhằm giảm ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển và lệch tia, kỹ thuật phân tập MIMO sử dụng nhiều Laser tại phía phát và nhiều bộ tách sóng quang tại phía thu gần đây đã được đề xuất cho hệ thống FSO. Đây là một giải pháp nhằm giảm ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển và lỗi lệch tia lên hiệu năng của hệ thống FSO. Các nghiên cứu về hiệu năng của hệ thống với kênh truyền MIMO đối với hệ thống FSO khi chưa xét ảnh hưởng của lỗi lệch tia gồm có: (1) tham số BER được đánh giá trong các công trình nghiên cứu [16], [17], [18], [19], [20], [42], [52], [60]. Trong các nghiên cứu này, hiệu năng của hệ thống được đánh giá dưới ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển và các phương thức điều chế khác nhau.
Cụ thể, trong nghiên cứu [17] sử dụng điều chế OOK, trong nghiên cứu [20] sử dụng điều chế IM/DD. Hiệu năng hệ thống FSO trong các nghiên cứu này đã cải thiện đáng kể khi sử dụng kỹ thuật MIMO, tuy nhiên để đảm bảo hiệu năng yêu cầu thì khoảng cách đường truyền vẫn còn hạn chế. Trong các nghiên cứu [30], [31], các tác giả đã đánh giá ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển lên hiệu năng hệ thống thông qua tham số ASER sử dụng phương thức điều chế biên độ cầu phương sóng mang con (Subcarrier – Quadrature Amplitude Modulation_SC-QAM) và kỹ thuật MIMO, tuy nhiên không sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp. (2) Tham số dung lượng kênh trung bình ACC được đánh giá trong [59], [70], sử dụng kỹ thuật MIMO không sử dụng trạm chuyển tiếp.