LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây chúng ta đã đƣợc chứng kiến nhu cầu ngày càng tăng của ngƣời dùng đầu cuối về băng thông trong truyền thông không dây, nhằm hỗ trợ các dịch vụ băng rộng nhƣ: truyền hình độ nét cao (HDTV), dịch vụ VideoCall, truy cập internet tốc độ cao, hội nghị truyền hình trực tuyến vv…. Để đáp ứng các nhu cầu này, đòi hỏi băng thông truyền dẫn rộng hơn, tốc độ nhanh hơn. Trong mạng truy nhập, một số công nghệ đã và đang đƣợc sử dụng để giải quyết nhu cầu truyền dẫn của ngƣời dùng đầu cuối bao gồm các công nghệ dựa trên cáp đồng, lai ghép cáp sợi quang – cáp đồng trục (HFC), cáp quang tới tận nhà, các công nghệ không dây băng rộng sóng cao tần RF. Trong tƣơng lai gần, một thực tế cực kỳ rõ ràng là các công nghệ cao tần RF với những hạn chế nhƣ giới hạn băng thông, khan hiếm phổ tần số, các vấn đề an ninh, giấy phép và chi phí cao trong việc lắp đặt và khả năng tiếp cận, không thể đáp ứng nhu cầu sắp tới.
Gần đây, công nghệ truyền dẫn quang không dây (FSO) đã ra đời và đƣợc xem nhƣ giải pháp hiệu quả, thay thế và bổ sung cho công nghệ truyền thông không dây sóng cao tần (RF). Với những ƣu điểm vƣợt trội nhƣ tốc độ cao, chi phí thấp, không yêu cầu cấp phép tần số, triển khai nhanh và linh hoạt. Hệ thống này hiện nay có thể truyền tải một lƣợng lớn dữ liệu lên đến 10 Gb/s. Tuy nhiên, công nghệ FSO cũng gặp phải một số hạn chế nhất định nhƣ bị ảnh hƣởng mạnh bởi tạp âm, nhiễu loạn không khí và điều kiện thời tiết xấu nhƣ gió, sƣơng mù, khói, tuyết ….
Để tận dụng các ƣu điểm và khắc phục các hạn chế của cả hai công nghệ RF và FSO, hệ thống truyền thông lai ghép RF/FSO đã đƣợc đề xuất. Đây đƣợc xem nhƣ một giải pháp linh hoạt và hiệu quả cho các kết nối trong mạng truy nhập và backhaul trong tƣơng lai. Trong luận văn này, để tiện theo dõi, nội dung các chƣơng đƣợc khái quát lại nhƣ sau: − Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống truyền thông quang không dây FSO, bao gồm khái niệm, cấu trúc, ƣu nhƣợc điểm, cũng nhƣ các mô hình hệ thống FSO. − Chƣơng 2: Giới thiệu về các yếu tố ảnh hƣởng tới suy hao trong hệ thống FSO và RF.
Nhiễu loạn không khí, giới thiệu về mô hình kênh nhiễu loạn không khí. Luan van 2 − Chƣơng 3: Đánh giá hiệu năng hệ thống truyền thông không dây lai ghép RF/FSO, đƣa ra các nhận xét, đánh giá về hệ thống, là trọng tâm của luận văn. Mặc dù đã hết sức cố gắng trong quá trình nghiên cứu, nhƣng luận văn chắc chắn sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, em rất mong nhận đƣợc sự thông cảm và góp ý, nhận xét của các thầy cô giáo để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 16 tháng 01 năm 2017 Bùi Quốc Vƣơng Luan van 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY FSO 1.1 Giới thiệu hệ thống FSO Khác các hệ thống không dây thông thƣờng, FSO là một công nghệ truyền quang qua không gian tự do. Ƣu điểm của hệ thống này khi sử dụng là không yêu cầu phải đăng ký phổ hay phối hợp tần số với những nhà khai thác khác, đồng thời nhiễu giữa các thiết bị đƣợc hạn chế. Một ƣu điểm nữa đó là tín hiệu laser điểm – điểm rất khó để can thiệp, vì thế tính bảo mật cao. Tốc độ dữ liệu có thể so sánh với truyền dẫn qua sợi quang và tỉ lệ lỗi thấp.
Ngoài ra việc sử dụng những chùm laser có độ rộng phổ hẹp đảm bảo cho khả năng lắp đặt nhiều các bộ thu, phát ở cùng một địa điểm. Hiện nay các nhà cung cấp dịch vụ không ngừng đƣa ra các ứng dụng nên nhu cầu về dịch vụ băng thông rộng ở trong các mạng đô thị là rất lớn. Tuy nhiên, sự chênh lệch về tốc độ truyền dẫn giữa mạng lõi và mạng truy nhập đã tạo ra một sự mất cân bằng. Sự mất cân bằng này thƣờng đƣợc gọi là “nghẽn cổ chai”.
Hiện tƣợng “nghẽn cổ chai” xuất hiện ở khắp nơi trong các mạng đô thị hiện nay. Các nhà cung cấp dịch vụ đang đối mặt với sự cần thiết phải thay đổi nhanh chóng và hiệu quả ở cùng một thời gian khi mà vốn đầu tƣ bị hạn chế. Về mặt công nghệ, đã có rất nhiều giải pháp cho vấn đề này nhƣng hầu hết đều chƣa đạt đƣợc hiệu quả về giá trị kinh tế. Đầu tiên, lựa chọn hiển nhiên nhất để tăng dung lƣợng cho mang truy nhập đó là sử dụng cáp sợi quang.
Cáp sợi quang chính là giải pháp tin cậy nhất của truyền thông quang. Nhƣng thời gian lắp đặt và chi phí chính là cản trở của phƣơng pháp này khi tính đến mặt kinh tế. Hơn nữa, một khi đã lắp đặt sợi quang thì nó sẽ trở thành một “giá trị cố định” và không thể bố trí lại nếu khách hàng chuyển sang một nhà cung cấp dịch vụ mới, khiến cho rất khó có thể khôi phục lại giá trị hạ tầng trong một khung thời gian hợp lý. Luan van 4 Hình 1.1: Hiện tƣợng nghẽn cổ chai trong mạng Một lựa chọn khác đó là công nghệ không dây sử dụng tần số vô tuyến RF (Radio Frequency).
Công nghệ này cho phép truyền đi trong khoảng cách xa hơn FSO, nhƣng các mạng dựa trên RF yêu cầu sự đầu tƣ lớn khi phải đăng ký dải phổ. Hơn nữa, các công nghệ RF gặp phải khó khăn khi muốn mở rộng lên dung lƣợng cao. Khi so sánh với FSO, RF không đảm bảo hiệu quả kinh tế cho các nhà cung cấp dịch vụ đang trông đợi vào sự mở rộng dung lƣợng của các mạng quang. Lựa chọn thứ ba đó là công nghệ dựa trên dây cáp đồng (nhƣ Ethernet, T1s hay DSL).
Mặc dù hạ tầng cáp đồng có mặt ở khắp nơi và số các tòa nhà sử dụng cáp đồng là cao hơn sợi quang nhƣng đây vẫn không phải là một giải pháp thỏa đáng trong việc giải quyết hiện tƣợng nghẽn cổ chai do trở ngại lớn nhất chính là độ rộng băng thông. Công nghệ cáp đồng có thể giải quyết một số vấn đề ngắn hạn, nhƣng hạn chế về băng thông chỉ ở mức 2Mbit – 3Mbit/s khiến cho công nghệ này chỉ là một giải pháp tạm thời. Giải pháp thứ tƣ và thích hợp nhất chính là FSO. Công nghệ này là một giải pháp tối ƣu nhờ những ƣu điểm của công nghệ quang nhƣ độ rộng băng thông, tốc độ triển khai (vài giờ so với vài tuần hoặc vài tháng), độ mềm dẻo (có thể tái triển khai và chuyển dịch), hiệu quả kinh tế cao (trung bình chi phí lắp đặt chỉ bằng 1/5 so với lắp đặt cáp quang).
Với các nhà cung cấp mạng đô thị MAN (Metropolitan Area Network) thì vấn đề “dặm cuối” (last mile) đang làm nản chí các nhà cung cấp trong các dịch vụ băng thông rộng. FSO có thể giải quyết vấn đề này và cho phép các khách hàng mới có thể truy nhập vào mạng MAN tốc độ cao. Luan van 5 Bảng 1.1: Bảng so sánh FSO và một số công nghệ khác UTP Cáp Cáp đồng Sóng viba Vệ tinh FSO (CAT-5) quang Tốc độ 10Mbps – 100Mbps- 500Mbps 275Mbps 90Mbps Đa dạng truyền 1.000Mbps 100Gbps Trung Trung Cài đặt Dễ dàng Khó Khó Khó bình bình Trung bình Trung Trung Trung Chi phí Ít nhất (không Cao bình bình bình tính giá vệ tinh) Trung Bảo trì Thấp Thấp Thấp Thấp Thấp bình Kĩ năng Trung Trung cần thiết Thấp Cao Cao Cao bình bình để cài đặt Đối tƣợng Mạng Mạng đa Điểm – Điểm – Điểm – Giữa các sử dụng LAN trong điểm điểm, điểm, điểm tòa nhà, thông các tòa nhà khoảng khoảng khoảng dụng cách ngắn cách dài cách ngắn Rẻ, thân Ít gây Tốc độ Tốc độ, Bảo mật, Giá cả, thiện, dễ nhiễu tới tính di dung hiệu năng Ƣu điểm cài đặt, các thiết động cao lƣợng lớn, hợp lý phổ biến bị khác, không tốc độ cao chịu ảnh hƣởng Luan van 6 nhiễu điện từ (EMI) Gây nhiễu, Kềnh Có thể bị Trễ Khó ghép Có thể bị bị giới hạn càng, khó chặn truyền nối chặn khoảng sử dụng sóng, có Nhƣợc cách nếu thể bị điểm không có chặn bộ lặp hay bộ khuếch đại Bảo mật Tốt Tốt Kém Kém Rất tốt Tốt Cáp xoắn Băng rộng Yêu cầu Ít sử dụng Chƣa có Công cho phép yêu cầu đăng ký cho các giới hạn nghệ mới tốc độ cao cƣờng độ sóng từ mạng cá về dung Ghi chú hơn nhƣng bảo trì FCC nhân lƣợng khó sử cao hơn dụng Môi trƣờng truyền dẫn của hệ thống FSO là không gian tự do, phụ thuôc vào phạm vi truyền dẫn mà hệ thống FSO đƣợc phân loại thành 2 loại chính nhƣ sau: FSO trong nhà (Indoor FSO) và FSO ngoài trời (Outdoor FSO). Đối với FSO trong nhà thì môi trƣờng truyền dẫn chính là khoảng không ở trong các tòa nhà.
Đây là môi trƣờng khá ổn định, không chịu nhiều biến đổi, chi phối của khí hậu bên ngoài. FSO ngoài trời thì ngƣợc lại. Môi trƣờng truyền dẫn của loại này chính là bầu khí quyển. Là môi trƣờng có tính ổn định kém do chịu ảnh hƣởng mạnh mẽ từ các yếu tố môi trƣờng nhƣ sƣơng mù, mƣa và nhiễu từ ánh sáng bên ngoài … Luan van 7 1.1 Các lợi thế và thách thức của hệ thống FSO Các lợi thế của FSO - Không yêu cầu giấy phép phổ tần vô tuyến.
- Không bị ảnh hƣởng của nhiễu điện từ. - Dễ dàng triển khai lắp đặt. - Khả năng bảo mật cao. Công nghệ FSO có thể đáp ứng rất nhiều ƣu điểm, khi so sánh với công nghệ cáp sợi.
Các hệ thống FSO có thể đƣợc triền khai với rất nhiều các kiến trúc mạng, đƣợc lắp đặt từ nóc nhà tới nóc nhà, cửa sổ tới cửa sổ hoặc tùy theo yêu cầu. Nó cũng có thể đƣợc thực hiện cho các ứng dụng xách tay, và trong một vài trƣờng hợp việc sản xuất này còn có chi phí thấp hơn các đƣờng truyền cáp quang. Vì vậy, công nghệ FSO giúp loại bỏ quá trình triển khai tốn kém. Truyền thông FSO analog có thể giảm các thiết bị truyền dẫn khi so sánh với việc thực hiện số.
Khi so sánh với các đƣờng truyền vô tuyến, các đƣờng truyền FSO không cần sự cấp phép, nó có tính đề kháng cao đối với các loại nhiễu điện từ BMI (Electromagnetic Interference), và cung cấp tính bảo mật đƣờng truyền tốt hơn. Hơn nữa, các đƣờng truyền FSO cũng có tính đề kháng cao với các nhiễu từ các nguồn khác của bức xạ quang.