Đồ án: Hệ thống thông tin quang không dây FSO và tối ưu tuyến tại Việt Nam

Đồ án tốt nghiệp FSO: Phân tích, thiết kế và tối ưu tuyến thông tin quang không dây. Đánh giá ảnh hưởng của khí hậu Việt Nam đến đường truyền.

• Tác giả: Hồ Thị Kim Tiến
• Người hướng dẫn: ThS. Dương Hữu Ái
• Trường học: Trường Cao Đẳng Công Nghệ Thông Tin Hữu Nghị Việt-Hàn
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông
• Đề tài: Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Thông Tin Quang Không Dây FSO

Thông tin quang không dây (Free Space Optics - FSO) là công nghệ truyền dẫn dữ liệu thông qua các chùm ánh sáng trong không gian tự do. Đây là giải pháp truyền thông hiện đại giúp kết nối các khoảng cách xa mà không cần cáp quang truyền thống. Hệ thống FSO đã phát triển từ những năm 1960 và ngày nay trở thành một giải pháp quan trọng trong viễn thông. Công nghệ này sử dụng laser diode (LD) để phát tín hiệu quang và photodiode để thu tín hiệu. FSO mang lại nhiều ưu điểm như tốc độ cao, băng thông rộng, nhưng cũng có nhược điểm như bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết, đặc biệt là suy hao không khí trong môi trường truyền dẫn.

1.1. Khái Niệm Và Cấu Trúc Hệ Thống FSO

Hệ thống thông tin quang không dây bao gồm bộ phát, kênh truyền (không gian tự do) và bộ thu. Bộ phát chứa laser diode và các bộ điều chế tín hiệu. Kênh truyền là không khí giữa hai điểm, chịu tác động của suy hao quang học do mưa, sương mù và các hạt bụi. Bộ thu sử dụng photodiode avalanche (APD) hoặc Si-PIN để phát hiện tín hiệu. Mô hình hệ thống FSO cần xem xét phương trình truyền và các tham số chất lượng như BER (Bit Error Rate).

1.2. Ứng Dụng Và Kiến Trúc Mạng

FSO được ứng dụng rộng rãi trong kết nối tốc độ cao giữa các tòa nhà, mạng truy nhập đầu cuối và giao tiếp vệ tinh. Các kiến trúc mạng bao gồm: mạng lưới, mạng điểm-đa điểm, mạng nhiều tuyến điểm-điểm và mạng vòng. Mỗi kiến trúc có ưu, nhược điểm riêng phù hợp với các nhu cầu triển khai khác nhau trong hạ tầng viễn thông.

II. Các Vấn Đề Thiết Kế Tuyến Quang Không Dây

Thiết kế tuyến quang không dây đòi hỏi xem xét kỹ lưỡng các thành phần và yếu tố ảnh hưởng. Bộ phát phải có công suất đủ lớn với bộ khuếch đại quang (EDFA) để bù đắp suy hao tuyến. Bộ thu cần độ nhạy cao để phát hiện tín hiệu yếu. Kênh truyền FSO bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như độ suy giảm không khí, mưa, sương mù, và tán xạ mieVaughn. Các thông số quan trọng bao gồm tỉ lệ lỗi bit (BER), khả năng sử dụng tuyến (availability), và dự trữ công suất (power margin). Để nâng cao chất lượng tuyến, cần lựa chọn bước sóng laser phù hợp, thiết kế hệ thống với lợi tích (gain) đủ lớn.

2.1. Đặc Điểm Của Bộ Phát Và Bộ Thu

Bộ phát FSO sử dụng laser diode (LD) hoặc VCSEL để tạo chùm tia hẹp có công suất cao. Bộ khuếch đại quang (EDFA) được sử dụng để tăng cường tín hiệu. Bộ thu cần độ nhạy cao, thường sử dụng photodiode avalanche (APD) với bộ tách sóng để phân tách các bước sóng khác nhau (1330nm, 1550nm). Các thành phần quang học phải an toàn với mắt người theo tiêu chuẩn quốc tế.

2.2. Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Chất Lượng Tuyến

Suy hao không khí là yếu tố chính ảnh hưởng chất lượng tuyến FSO. Phương trình truyền cần tính đến độ suy giảm không khí tùy thuộc vào điều kiện thời tiết. BER (Bit Error Rate) và tốc độ dữ liệu phụ thuộc vào khoảng cách truyền. Lựa chọn bước sóng laser và thiết bị thu-phát ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hệ thống.

III. Điều Kiện Khí Hậu Việt Nam Và Tính Toán Suy Hao

Việt Nam có khí hậu nhiệt đới gió mùa với hai mùa chính: mùa mưa từ tháng 5-10 và mùa khô từ tháng 11-4. Các vùng khác nhau có suy hao quang học khác nhau do sương mù, mưa và độ ẩm cao. Tính toán độ suy hao tuyến FSO thực tế tại Việt Nam cần xem xét các yếu tố khí tượng địa phương. Suy hao không khí được tính toán dựa trên bước sóng laser (1330nm, 1550nm), loại hạt tán xạ (Rayleigh, Mie), và điều kiện tầm nhìn. Bán kính của các hạt tán xạ ảnh hưởng đến mức suy hao khác nhau cho mỗi bước sóng. Việc tính toán chính xác độ dự trữ công suất (power margin) và BER giúp đảm bảo khả năng sử dụng tuyến (availability) đạt yêu cầu.

3.1. Đánh Giá Điều Kiện Thời Tiết Và Suy Hao

Khí hậu Việt Nam với độ ẩm cao và mưa thường xuyên gây ra suy hao đáng kể trên tuyến FSO. Mùa mưa gây suy hao cao nhất, đặc biệt tại các vùng ven biển. Tính toán độ suy giảm không khí cần dữ liệu khí tượng địa phương như độ ẩm, tầm nhìn ngoài trời, và lượng mưa. Sử dụng model Rayleigh cho sương mù và model Mie cho hạt mưa giúp ước tính suy hao chính xác.

3.2. Mô Phỏng Và Tối Ưu Tuyến Tại Việt Nam

Mô phỏng tuyến FSO bằng phần mềm Optisystem giúp đánh giá hiệu suất hệ thống. Lưu đồ thuật toán tính toán độ dự trữ công suất và BER sử dụng Matlab. Kết quả tính toán cho tuyến 1km chỉ ra những thách thách khi triển khai FSO tại Việt Nam. Tối ưu tuyến bao gồm chọn bộ phát-thu phù hợp, điều chỉnh công suất laser và độ nhạy bộ thu để đạt chất lượng yêu cầu.

IV. Phương Pháp Tối Ưu Tuyến Quang Không Dây Tại Việt Nam

Tối ưu tuyến thông tin quang không dây tại Việt Nam cần giải pháp toàn diện. Thứ nhất, chọn bước sóng laser phù hợp: 1330nm hoặc 1550nm tùy theo suy hao và sản phẩm sẵn có. Thứ hai, sử dụng bộ khuếch đại EDFA hoặc bộ khuếch đại bán dẫn (SOA) để bù đắp suy hao. Thứ ba, triển khai hệ thống dự phòng tự động (Automatic Power Control) để điều chỉnh công suất phát theo điều kiện thời tiết. Thứ tư, tính toán dự trữ công suất đủ lớn (thường 3-10 dB) để đảm bảo khả năng sử dụng tuyến ≥ 99.9%. Cuối cùng, sử dụng điều chế cường độ (IM) với mã NRZ hoặc OOK để giảm tác động của suy hao. Các công thức tính toán và mô phỏng Matlab, Optisystem giúp xác định các tham số tối ưu cho từng vị trí triển khai cụ thể.

4.1. Lựa Chọn Tần Số Và Thiết Bị Phù Hợp

Lựa chọn bước sóng laser phụ thuộc vào suy hao không khí và loại thiết bị khả dụng. Bước sóng 1550nm có suy hao thấp hơn trong điều kiện sương mù so với 1330nm. Thiết bị thu-phát phải có độ nhạy cao và công suất đủ lớn. Xem xét sự an toàn với mắt người theo tiêu chuẩn ANSI/IEC để chọn công suất an toàn. Sử dụng bộ tách sóng để phân chia sóng ngắn và dài, hỗ trợ truyền song công.

4.2. Kế Hoạch Triển Khai Và Đánh Giá

Kế hoạch triển khai tuyến FSO tại Việt Nam cần khảo sát địa hình, thời tiết, khoảng cách truyền. Tính toán phương trình truyền với dữ liệu khí tượng thực tế. Mô phỏng hiệu suất hệ thống bằng Optisystem 7.5 cho các trường hợp suy hao khác nhau. Đánh giá khả năng sử dụng tuyến (availability) và BER để xác định tính khả thi. Lập kế hoạch bảo trì định kỳ để đảm bảo hiệu suất dài hạn của hệ thống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1 đã giới thiệu khái quát về hệ thống truyền thông quang qua không gian cũng như mô hình của hệ thống FSO. Tương lai ngày càng đòi hỏi phải có các giải pháp truyền dẫn tốc độ cao để đáp ứng yêu cầu của các doanh nghiêp, tổ chức và cá nhân. Các giải pháp cũng cần phải có chi phí hiệu quả, triển khai nhanh, truyền dẫn thông tin một cách an toàn và tin cậy. FSO có thể đáp ứng các yêu cầu này và sẽ được sử dụng ngày càng nhiều trong tương lai.

SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 13 Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam CHƢƠNG 2: MỘT SỐ ỨNG DỤNG TIÊU BIỂU CỦA HỆ THỐNG FSO 2.1 Ứng dụng trong thông tin mặt đất Công nghệ FSO có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, trong các mạng truy nhập và các mạng đô thị (metro networks). Khoảng cách từ hầu hết những người sử dụng đầu cuối đến các mạng xương sống là ngắn (chỉ vào khoảng 1 dặm trở lại) nên công nghệ FSO có thể là giải pháp lý tưởng cho vấn đề “nút thắt cổ chai”, đóng vai trò như là cầu nối giữa mạng cáp quang xương sống và người sử dụng đầu cuối. Dưới đây là một số lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu của FSO: 2.1 Kết nối tốc độ cao giữa các tòa nhà Hiện nay, các doanh nghiệp đang gặp phải vấn đề quá tải lưu lượng mạng tại các kết nối giữa các tòa nhà. Với các doanh nghiệp sử dụng các mạng nội bộ dựa trên tiêu chuẩn Gigabit Ethernet, các kết nối 2.544) Mbit/s giữa các tòa nhà sẽ làm hạn chế lưu lượng kết nối.

Trong khi đó, các doanh nghiệp với yêu cầu số liệu lớn mong muốn truyền dẫn dung lượng cao giữa các trụ sở doanh nghiệp mà không sử dụng các kết nối sợi quang chi phí cao. Việc lắp đặt sợi quang cũng phức tạp và tốn thời gian hơn. Ngoài ra, việc xin cấp phép, vấn đề an ninh, đào rãnh, đặt cáp và yêu cầu về môi trường cũng là các vấn đề trở ngại. Để loại bỏ các vấn đề trở ngại trên và tăng lưu lượng kết nối, các doanh nghiệp có các tòa nhà nằm trong tầm nhìn thẳng chuyển sang sử dụng các giải pháp FSO.

Các giải pháp FSO cho phép loại bỏ: - Tắc nghẽn về lưu lượng. - Yêu cầu xin phép và cấp giấy phép. - Việc đào rãnh, cống và đặt cáp. - Vấn đề liên quan tới hợp đồng thuê (cho thuê) tòa nhà.

- Tốn thời gian lắp đặt. - Chi phí cao. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 14 Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam Hình 2.1 Kết nối tốc độ cao giữa các tòa nhà Về mặt công nghệ, ứng dụng ít thách thức nhất là sử dụng FSO làm đường truyền số liệu kết nối các tòa nhà đô thị (kết nối giữa các mạng LAN). Trong ứng dụng này, cự ly tuyến FSO từ vài trăm mét cho tới vài km, việc triển khai FSO đơn giản và tốn ít chi phí lắp đặt hơn bất kỳ loại cáp nào.

FSO có thể sử dụng làm đường truyền dẫn tốc độ cao nối người dùng Internet với nhà cung cấp hoặc các mạng khác. Nó cũng có thể được sử dụng làm hệ thống mạng vòng đô thị để cung cấp các kết nối tốc độ cao cho các doanh nghiệp. FSO có thể được dùng để mang lưu lượng của mạng di động từ antenna tới các thiết bị khác của mạng. FSO thậm chí có thể dùng để truyền số liệu giữa một tàu vũ trụ ở xa và một trạm ở gần trái đất.2 Ứng dụng trong mạng truy nhập đầu cuối FSO là giải pháp lý tưởng đề làm cầu nối về băng thông giữa người dùng đầu cuối và mạng xương sống.

Thông tin cáp quang ở mạng xương sống có thể cung cấp băng thông khổng lồ với tốc độ dữ liệu rất lớn. Tuy nhiên băng thông khổng lồ của thông tin quang trong các mạng lõi lại không thể được sử dụng hết bởi người sử dụng trong các mạng truy nhập. Lý do là vì giới hạn băng thông của công nghệ truyền dẫn trên cáp đồng được sử dụng phổ biến để kết nối giữa người sử dụng và mạng cáp quang xương sống. Điều này này dẫn đến việc tốc độ dữ liệu mà người dùng có thể sử dụng bị hạn chế rất nhiều, vấn đề này được gọi là “nghẽn cổ chai ở mạng truy nhập”.

Đã có rất nhiều giải pháp được đưa ra để giải quyết vấn đề này như: Internet cáp quang FTTH, công nghệ siêu băng rộng không dây UBW, công nghệ thông tin quang tự do FSO…Và công nghệ FSO là giải pháp hứa hẹn nhất bởi những ưu điểm như giá thành thiết kế, triển khai và sử dụng lại thấp, băng thông lớn, phổ tần không cần cấp phép… SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 15 Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam Hình 2.2 FSO ứng dụng trong mạng truy nhập đầu cuối Trên thực tế, đường truyền dẫn FSO với khoảng cách từ 50m đến vài km đã được triển khai trên thị trường với tốc độ dữ liệu có thể từ 1 Mbps lên tới 10 Gbps. - Đường truyền dẫn dự phòng cho cáp quang: công nghệ FSO có thể được sử dụng để cung cấp đường truyền dự phòng trong trường hợp đường truyền cáp quang chính gặp sự cố. - Dùng trong các mạng tế bào: Công nghệ FSO có thể được sử dụng làm đường truyền dẫn backhaul giữa các trạm gốc (BS) và các trung tâm chuyển mạch (switching centres) trong mạng thông tin di động 3G, 4G hoặc là để truyền dẫn tín hiệu CDMA IS-95 từ các tế bào tới các trạm gốc. - Đường truyền dẫn tạm thời trong trường hợp thiên tai: Công nghệ FSO được ứng dụng ở những nơi cần đến đường truyền dẫn tạm thời khi những đường truyền dẫn chính bị phá vỡ do thiên tai như động đất, núi lửa, sóng thần…FSO khi đó có thể được sử dụng để kết nối cho 1 hội nghị.

- Mạng truyền dẫn trong trường học: Công nghệ FSO đã được sử dụng để kết nối giữa các khuôn viên của trường đại học, trung tâm nghiên cứu,. và cung cấp link dự phòng với tốc độ tương đương FAST-Ethernet hoặc có thể lên tới GigabitEthernet. - Ứng dụng ở những nơi địa hình khó khăn: Công nghệ FSO là một giải pháp tốt để dùng làm cầu nối về dữ liệu qua những khoảng cách như là vượt qua một SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 16 Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam con sông, qua một đường phố rất đông đúc, qua đường ray xe lửa hoặc nhưng nơi mà đường nối trực tiếp là không thể thực hiện được hoặc quá đắt để thực hiện. - Truyền hình với độ nét cao (HD): Do yêu cầu khổng lồ về băng thông của máy quay độ nét cao và tín hiệu truyền hình với độ nét cao, công nghệ FSO ngày càng được sử dụng nhiều ở ngành công nghiệp truyền hình dùng để truyền tín hiệu trực tiếp từ máy quay có độ nét cao (HD) ở các trạm di động tới trung tâm truyền hình (Truyền hình trực tiếp).3 Ứng dụng trong trao đổi thông tin cá nhân Truyền thông quang không dây với khoảng cách ngắn đã được nghiên cứu và ứng dụng mạnh mẽ trong trao đổi thông tin giữa các thiết bị cá nhân trong vòng vài thập kỷ gần đây.

Bên cạnh những ưu điểm như băng thông khổng lồ, phổ tần không cần đăng ký thì còn một ưu điểm nữa khiến cho thông tin quang không dây thích hợp cho trao đổi thông tin giữa các thiết bị cá nhân đó là an toàn cho sức khỏe và an toàn thông tin cao. Nguyên nhân là do khoảng cách ngắn, yêu cầu công suất phát bức xạ quang thấp. Hơn thế nữa, các thiết bị sử dụng công nghệ FSO không gây can nhiễu lên các hệ thống thông tin vô tuyến khác. Các ứng dụng trong điều khiển, trao đổi thông tin qua giữa các điện thoại…đều có thể ứng dụng được công nghệ truyền thông quang không dây.2 Ứng dụng trong thông tin vệ tinh Sóng vô tuyến thường được sử dụng để truyền thông tin giữa các vệ tinh và giữa các vệ tinh với trạm mặt đất.

Tuy nhiên, xu hướng mới trong thông tin vệ tinh đang được phát triển gần đây đó là sử dụng bức xạ quang laser làm tín hiệu mang tin thay cho sóng vô tuyến. SVTH: Hồ Thị Kim Tiến_Lớp: CCVT06B 17 Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam Hình 2.3 FSO trong thông tin vệ tinh Cơ quan vũ trụ Châu âu (ESA) trong dự án SILEX đã sử dụng đường truyền dẫn quang không dây 50 Mbps để trao đổi thông tin hai lần một ngày giữa một vệ tinh tầm thấp (LEO) và một vệ tinh địa tĩnh (GEO) từ năm 2003. Chương trình thông tin liên quỹ đạo giữa các vệ tinh sử dụng bức xạ quang (OICETS) đã được nghiên cứu và phát triển bởi cơ quan thăm dò vũ trụ Nhật Bản (JAXA) trong năm 2005. Chính vì thế, xu hướng mới trong thông tin vệ tinh là sử dụng thông tin quang không dây để phục vụ nhiều mục đích trong không gian khác nhau.

Dưới đây sẽ trình bày một số hoạt động cần thiết trong không gian sử dụng thông tin quang không dây: 2.1 Phục vụ các hoạt động của con người trong không gian Trong tương lai gần, không chỉ phi hành gia mà những người bình thường cũng sẽ có cơ hội du lịch trên không gian vũ trụ bằng tàu vũ trụ. Du lịch vũ trụ phát triển, điều tất yếu là sẽ yêu cầu có kết nối internet tốc độ cao trên các tàu vũ trụ và các trạm vũ trụ. Trên các trạm vũ trụ như trạm vũ trụ quốc tế (ISS), các phi hành gia và các chuyên gia cũng cần có những phương tiện giải trí như ở mặt đất. Ví dụ như, để giải tỏa căng thẳng và giải trí, các phi hành gia và các chuyên gia cũng cần xem các bộ phim nổi tiếng, các bài hát hay…như ở dưới mặt đất.

Điều này hoàn toàn có thể thực hiện nếu sử dụng thông tin quang không dây. Nếu sử dụng đường truyền quang 1 Gbps, chúng ta có thể gửi lên trên vũ trụ những bộ phim, bản nhạc mới nhất chỉ trong vòng vài phút.