CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN Ở BĂNG TẦN MILIMET QUA SỢI QUANG 1. Tổng quan về hệ thống MMW RoF Những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của internet, nhu cầu sử dụng dịch vụ băng rộng ngày càng cao dẫn đến yêu cầu tăng lưu lượng dữ liệu truy cập từ các dịch vụ này ngày càng lớn. Công nghệ Radio-over-Fiber hay RoF kết hợp của công nghệ vô tuyến và công nghệ truyền tải quang là một giải pháp tiềm năng, phục vụ nâng cao dung lượng mạng và tính di động, đồng thời giảm chi phí mạng truy nhập. Ý tưởng của công nghệ RoF là truyền thông tin qua sợi quang bằng cách điều chế ánh sáng bằng tín hiệu vô tuyến.
Quá trình điều chế này có thể thực hiện bằng cách điều chế trực tiếp với tín hiệu vô tuyến cao tần RF hoặc sử dụng một trung tần IF. Công nghệ RoF hứa hẹn là xương sống của mạng truy nhập vô tuyến trong tương lai. Kiến trúc như vậy đem lại nhiều ưu điểm như giảm độ phức tạp của đầu cuối thu/phát sóng, sóng mang vô tuyến có thể được phân bổ tự động cho các trạm phát sóng khác nhau, mang lại tính trong suốt với hệ thống cũng như khả năng mở rộng cao hơn. Tuy nhiên, công nghệ thì luôn luôn được cải tiến từng ngày do đó sự kết hợp sử dụng công nghệ RoF với băng tần milimetter-wave (MMW) đã đưa ra tiềm năng để cung cấp truyền tải băng thông rộng kết hợp với sợi quang.
Sóng millimet đại diện cho phổ tín hiệu RF giữa các tần số 30 GHz và 300 GHz với bước sóng từ 1 – 10 mm, nhưng xét về khía cạnh mạng vô tuyến và các thiết bị thông tin tên gọi “sóng millimet” tương ứng với một dải tần 24 GHz, 38 GHz, 60 GHz và gần đây, các dải tần 70 GHz, 80 GHz cũng được sử dụng cho mục đích thiết lập hạng và truyền thông vô tuyến. Dải tần của bước sóng millimet và bước sóng hiện tại được phân bổ như hình 1.1: Tần số bước sóng mm so với tần số đang sử dụng hiện tại Luan van 6 Mặc dù tương đối mới trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến, lịch sử của công nghệ sóng millimet trở lại những năm 1890 khi J. Bose thử nghiệm với các tín hiệu sóng millimet và cũng thời điểm đó, Maconi đã phát minh ra truyền thông vô tuyến. Theo nghiên cứu của Bose, công nghệ millimet vẫn còn hạn chế trong phạm vi phòng thí nghiệm tại các trường đại học trong gần nửa thế kỷ.
Công nghệ này bắt đầu được nhìn nhận bởi các ứng dụng của nó trong đài thiên văn vào năm 1960, tiếp theo là các ứng dụng trong quân đội ở những năm 70. Trong năm 80, sự phát triển của sóng millimet được tích hợp vào mạch tạo ra các cơ hội cho sản xuất hàng loạt các sản phẩm sử dụng bước sóng millimet cho các ứng dụng trong thương mại. Đến năm 1990, sự ra đời của radar tránh va chạm tự động tại tần số 77 GHz đã đánh dấu sản phẩm đầu tiên sử dụng tần số sóng millimet trên 40 GHz. Đến năm 1995, FCC (US Federal Comunications Commission) đã mở rộng phổ tần giữa 59 và 64 GHz cho truyền thông băng rộng và thiết bị radar cho ứng dụng thương mại.
Năm 2003, FCC cho phép sử dụng băng tần 71-76 GHz và 81-86 GHz cho truyền thông điểm – điểm, tạo cơ hội phát triển mới cho các ngành công nghiệp phát triển các sản phẩm và dịch vụ hoạt động trong dải băng tần này.[2] Một trong những ưu điểm quan trọng của công nghệ truyền thông sóng milimet là số lượng lớn các băng thông có sẵn. Các băng thông có sẵn trong băng 70 GHz và 80 GHz, tổng cộng là 10 GHz, nhiều hơn tổng số tất các băng được cấp phép khác cho truyền thông vô tuyến. Với băng thông rộng sẵn có, kênh vô tuyến băng sóng millimet có thể đạt được tốc độ cao như truyền song công 10 Gbps, điều này khó có thể phù hợp với bất kỳ công nghệ vô tuyến nào có tần số RF thấp hơn. Tính sẵn có của số lượng băng thông này cho phép khả năng mở rộng của kênh vô tuyến tại sóng milimet theo nhu cầu của thị trường.
Sản phẩm sóng millimet điển hình hiện nay hoạt động với hiệu suất quang phổ gần 0. Tuy nhiên, khi nhu cầu phát sinh cho các tuyến công suất cao, công nghệ sóng millimet có thể sẽ đáp ứng nhu cầu cao hơn bằng cách sử dụng phương thức điều chế hiệu quả hơn. Mặt khác không giống như microwave, chùm tia có độ cong rất rộng làm giảm số lượng phổ tần số có thể tái sử dụng trong một phạm vi địa lý nhất định, Luan van 7 đường truyền dẫn sóng milimet có chùm tia rất hẹp. Các ưu điểm của băng millimet hoàn toàn phù hợp cho ứng dụng vào hệ thống RoF, tận dụng ưu điểm của công nghệ truyền dẫn sợi quang nhằm khắc phục được các hạn chế vốn có của nó.
Từ đó, hệ thống truyền tín hiệu vô tuyến bước sóng millimet qua sợi quang (MMW RoF) ra đời. Truyền sóng vô tuyến qua sợi quang MMW RoF (Millimeter- Wave Radio over fiber) là phương pháp truyền tín hiệu vô tuyến đã được điều chế qua sợi quang tại băng tần sóng milimet. Hay nói cách khác MMW RoF sử dụng tuyến quang có độ tuyến tính cao để truyền dẫn các tín hiệu RF (analog) đến các trạm thu phát. Công nghệ truyền sóng vô tuyến qua sợi quang sử dụng đường truyền sợi quang để phân phối các tín hiệu tần số vô tuyến (RF) từ các vị trí trạm trung tâm (CS) đến các khối anten đầu xa (RAUs)[2], như hình 1.2: Mô tả truyền dẫn MMW RoF Giải pháp công nghệ MMW RoF đã giúp các trạm BS/RAU (RAU là BS nhưng chỉ có chức năng phát sóng) được đơn giản hóa đáng kể, chúng chỉ còn chức năng chính là chuyển đổi quang-điện và khuếch đại.
Việc tập trung các chức năng Luan van 8 xử lý tín hiệu RF cho phép chia sẻ thiết bị, phân bố động tài nguyên và đơn giản hóa vận hành, bảo dưỡng hệ thống. Kỹ thuật RoF đáp ứng được việc truyền tải băng thông rộng từ trạm trung tâm (CS) đến trạm cơ sở BS nhưng kỹ thuật này chưa đáp ứng được việc truyền tải băng rộng từ trạm BS đến thiết bị đầu cuối. Chính vì thế, giải pháp công nghệ MMW RoF sẽ khắc phục được vấn đề này, tại kênh truyền vô tuyến từ BS đến thiết bị đầu cuối sẽ sử dụng bước sóng milimet đề truyền tải băng rộng. Đặc biệt, công nghệ này rất có ý nghĩa trong hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng cần mật độ BS/RAUs cao.
Cấu trúc hệ thống MMW RoF Cấu trúc chung của hệ thống MMW RoF được mô tả như hình 1.3 sẽ bao gồm bốn thành phần chính đó là phân hệ trạm trung tâm (CS), phân hệ mạng quang phân phối (ODN), phân hệ trạm cơ sở (BS), kênh vô tuyến từ BS đến thiết bị đầu cuối (MT).3: Cấu hình chung của tuyến MMW RoF Luan van 9 Phân hệ trạm trung tâm Central Station (CS): là nơi chứa dữ liệu tài nguyên, thiết bị phát quang (TX) bằng laser và thiết bị thu quang (RX), photodetectors (PDs). Tùy vào đặc tính kỹ thuật của hệ thống MMW RoF mà một CS có thể phục vụ một số lượng lớn BS ở khoảng cách xa (hàng chục km). Do kiến trúc mạng tập trung nên các chức năng chính của hệ thống MMW RoF đều tập trung ở đây như định tuyến, chuyển mạch, điều chế, cấp phát kênh. đều được thực hiện và chia sẽ ở CS vì thế có thể nói CS là thành phần quan trọng nhất trong mạng RoF (cũng giống như tổng đài trong mạng điện thoại).
CS được nối đến các tổng đài, server khác. CS được kết nối với internet thông qua mạng trung kế (network trunk) và có khả năng chuyển mạch. Theo hướng downlink, CS chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và sử dụng ODN để giao tiếp với các trạm cơ sở BS (base station). Phân hệ mạng quang phân phối (ODN): là tuyến quang phục vụ truyền dẫn tín hiệu giữa BS và CS.
Phân hệ trạm gốc Base Station (BS): trong hệ thống MMW RoF, BS có vai trò chính là phát sóng vô tuyến từ CS đến các đầu cuối và nhận tín hiệu từ các đầu cuối truyền về CS xử lý. Mỗi BS sẽ phục vụ một diện tích nhỏ. BS không có chức năng xử lý dữ liệu, nó chỉ đơn thuần biến đổi tín hiệu điện-quang và ngược lại phục vụ truyền dẫn về CS hoặc phát sóng. Thành phần quan trọng nhất của nó là bộ chuyển đổi quang điện ở tần số hoạt động (thường là RF, cũng có thể là tần số mm trong hệ thống MMW RoF sẽ nghiên cứu dưới đây) và anten.
Thông thường bán kinh phục vụ (tương tự như vùng phủ sóng) của mỗi BS là nhỏ, thậm chí là rất nhỏ nếu sử dụng tần số mm (từ vài chục đến vài trăm mét, thậm chí chỉ hàng mét) và phục vụ một số lượng nhỏ các MT/MH. Do đó, số lượng BS sẽ là rất nhiều để phủ sóng trên một diện tích, nên trong kiến trúc mạng MMW RoF, đơn giản hóa BS là vấn đề cực kỳ quan trọng. Remote Node (RN): là các node trung gian, giảm tải việc quản lý cho CS. Mỗi RN sẽ quản lý một vài BS, và CS sẽ quản lý các RN này.
Nhờ cấu trúc phân quyền quản lý như thế, hệt thống MMW RoF sẽ hoạt động hiệu quả hơn. Các trạm Luan van 10 trung tâm cũng sẽ liên kết với nhau thông qua mạng MAN giúp hệ thống được phân tán nhưng vẫn đảm bảo quản lý tập trung. Các trung tâm mạng này sẽ liên kết với mạng khác (PSTN, internet…) thông qua một mạng trung chuyển. Mobile Host (MH/MT): là các thiết bị đầu cuối, là các thiết bị di động thường là của khách hàng.
Nó có thể là điện thoại, tablet, laptop hay các thiết bị đặc thù khác có chức năng truy nhập vào mạng không dây. Theo hướng uplink, các BS nhận được tín hiệu sóng mm từ MT, tùy thuộc vào cấu hình của các BS tín hiệu này có thể được hạ tần trước khi điều chế điện quang để truyền tải thông tin lên thông qua ODN quay lại CS. Chi tiết các phân hệ được trình bày trong hình 1.4 dưới đây và được mô tả cụ thể trong các phần tiếp theo. Phân hệ trung tâm CO Phân hệ CO trong hệ thống MMW-RoF đảm nhiệm các chức năng xử lý dữ liệu và tạo tín hiệu quang ở đường xuống.
Việc tạo tín hiệu quang này bao gồm hai quá trình là tạo sóng mang và điều chế dữ liệu đường xuống. Hai quá trình này có thể được thực hiện đồng thời hoặc thực hiện một cách tách biệt.