Đánh giá lỗi định hướng trong kênh truyền quang vô tuyến dưới những điều kiện thời tiết khác nhau

Đánh giá lỗi định hướng trong kênh truyền quang vô
tuyến dưới những điều kiện thời tiết khác nhau
Phạm Duy Khiêm∗, Lê Quốc Cường†, và Võ Nguyễn Quốc Bảo∗
∗ Phòng Thí Nghiệm Thông Tin Vô Tuyến
Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông, Cơ Sở TP. Hồ Chí Minh
Email: khiemwood86@yahoo.com, baovnq@ptithcm.edu.vn
† Sở Thông Tin và Truyền Thông TP. Hồ Chí Minh
Email: lequoccuong@tphcm.gov.vn
Tóm tắt—Lỗi định hướng (Pointing Error) là một trong
những thách thức chính mà kênh truyền quang vô tuyến
phải đối diện. Lỗi định hướng là một tham số biễu diễn
góc độ tầm nhìn thẳng giữa hai đầu phát và đầu thu laser
trong kênh truyền quang vô tuyến. Tham số này phụ thuộc
vào điều kiện thời tiết và gây suy giảm đến hiệu năng của
một tuyến quang vô tuyến ở khoảng cách xa. Trong bài
báo này, chúng tôi thực hiện việc đánh giá từ nhiều lỗi
định hướng ở từng điều kiện thời tiết khác nhau để xác
định được ngưỡng của lỗi định hướng làm ảnh hưởng đến
tỷ số lỗi bit của hệ thống.
Từ khóa—quang vô tuyến, lỗi định hướng (Pointing
Error), hiệu năng, điều kiện thời tiết
I. GIỚI THIỆU
Ngày nay, công nghệ quang vô tuyến (Free-Space
Optical communication - FSO) là một chủ đề nóng và
có tầm quan trọng trong hệ thống thông tin. FSO như là
một giải pháp thay thế mang tính khả thi về mặt thương
mại cho hệ thống thông tin vô tuyến bởi độ tin cậy và
khả năng triển khai nhanh chóng cho mạng dữ liệu và
thoại [1]. Những kết nối FSO phạm vi ngắn được sử
dụng như một giải pháp thay thế cho những kết nối vô
tuyến, để cung cấp mạng truy cập băng thông cho doanh
nghiệp giống như là một cầu nối băng thông rộng giữa
những mạng nội bộ, mạng khu vực đô thị và mạng diện
rộng [2]. Hệ thống FSO mặt đất đã chứng tỏ là một
công nghệ bổ sung khả thi trong việc giải quyết những
thách thức thông tin liên lạc hiện đại, đặc biệt là những
nhu cầu về tốc độ dữ liệu băng thông cao của người
dùng với một chi phí có thể chấp nhận. FSO được tích
hợp vào trong mạng truy cập làm cho việc truyền xa
và nhanh hơn [3]. Tuy nhiên, những ảnh hưởng trong
kênh truyền khí quyển như sương mù dày đặc, khói và
nhiễu loạn không khí đặt ra những thách thức lớn nhất
cho hệ thống FSO mặt đất tầm xa. Ngoài yếu tố về thời
tiết, những tuyến quang vô tuyến với khoảng cách trên
một km sẽ chịu ảnh hưởng của lỗi định hướng. Lỗi định
hướng được tạo ra từ rung lắc của tòa nhà, gió mạnh vì
vậy lỗi định hướng làm ảnh hưởng đến hiệu năng tuyến
quang vô tuyến. Cho đến nay, đã có một số bài báo xem
xét đến bài toán lỗi định hướng ảnh hưởng hiệu năng của
tuyến quang vô tuyến, ví dụ [4], [5], [6], [7]. Bài báo [4]
xem xét bài toán lỗi định hướng ảnh hưởng hiệu năng
của tuyến quang vô tuyến sử dụng phương pháp phân
tích hàm Bessel của mô hình mật độ xác suất lỗi định
hướng. Bài báo [5] xem xét bài toán tối ưu dung lượng
dừng của tuyến quang vô tuyến khi có lỗi định hướng.
Bài báo [7] xem xét bài toán lỗi định hướng ảnh hưởng
đến tuyến quang vô tuyến khi có nhiễu động không khí.
Tuy nhiên cả ba bài báo đều bỏ qua điều kiện thời tiết
như hấp thụ và tán xạ, làm kết quả bài toán lỗi định
hướng ảnh hưởng đến hiệu năng tuyến quang vô tuyến
có phần không thực tế.
Trong bài báo này, chúng tôi sẽ xác định ngưỡng lỗi
định hướng tại máy phát và máy thu làm ảnh hưởng đến
tỷ số lỗi bit ở từng điều kiện thời tiết khác nhau sử dụng
phương pháp quét tham số lỗi định hướng trong chương
trình Optisystem. Mặc dù sử cùng phương pháp với bài
báo bài báo [8], điểm mới của bài báo là xem xét tại
TP. Hồ Chí Minh với những điều kiện cụ thể.
Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau.
Phần II, chúng tôi trình bày mô hình hệ thống xem xét.
Phần III đề cập đến lỗi định hướng của hệ thống FSO
và ảnh hưởng của sự suy hao khí quyển đến hiệu năng
của hệ thống. Trong phần IV, chúng tôi thực hiện mô
phỏng trên phần mềm Optisystem để kiểm chứng. Cuối
cùng, bài báo kết thúc bằng kết luận ở Phần V.
II. MÔ HÌNH HỆ THỐNG
Xem xét hệ thống quang vô tuyến gồm có một cặp
máy phát và máy thu, một kênh truyền quang vô tuyến
trình bày như Hình 1. Máy phát có nhiệm vụ chính là
điều chế nguồn dữ liệu vào với sóng mang quang. Sau
đó tín hiệu sẽ được truyền qua khí quyển đến máy thu.
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 304
&KPTXDQJ0i\SKiW 0i\WKX
%ӝÿLӅXFKӃYjODVHU %ӝJLҧLÿLӅXFKӃ
.tQKQJҳP
Hình 1. Sơ đồ khối của một kênh truyền FSO.
Loại điều chế được sử dụng hầu hết đều là điều chế
cường độ. Trong đó nguồn dữ liệu được điều chế trên
cường độ bức xạ quang. Điều này đạt được bằng cách
thay đổi dòng điều khiển của nguồn quang trực tiếp với
dữ liệu được phát hoặc thông qua một bộ điều chế ngoài
như là bộ giao thoa kế đối xứng Mach-Zehnder. Việc
sử dụng bộ điều chế ngoài bảo đảm tốc độ dữ liệu cao
hơn so với bộ điều chế trực tiếp nhưng ở bộ điều chế
ngoài có một đáp ứng phi tuyến. Những đặc tính khác
của bức xạ quang như là pha, tần số và trạng thái phân
cực có thể cũng được điều chế với dữ liệu hoặc thông
tin thông qua một bộ điều chế ngoài. Khối truyền tín
hiệu đi xa có nhiệm vụ là tập hợp, chuẩn trực và ngắm
thẳng hướng bức xạ quang tiến đến khối thu tín hiệu tại
đầu cuối của kênh truyền. Đa số các hệ thống FSO được
thiết kế để hoạt động với các dải bước sóng 780-850 nm
và 1520-1600 nm. Dải bước sóng 780-850nm thì được
sử dụng rộng rãi nhất bởi vì với dải bước sóng này thì
thiết bị và linh kiện luôn có sẵn để đáp ứng và giá thành
thấp. Dải bước sóng 1550nm thường được sử dụng trong
hệ thống FSO vì i) tương thích với mạng phân ghép khe
theo bước sóng thế hệ thứ 3 ii) an toàn cho mắt và iii)
giảm bớt sự ảnh hưởng bức xạ năng lượng mặt trời và
tán xạ ánh sáng trong điều kiện sương dày đặc. Do đó
với bước sóng 1550nm sẽ tạo ra một năng lượng đáng kể
có thể truyền vượt qua màn sương dày đặc. Tuy nhiên,
sẽ có mặt hạn chế với dải bước sóng 1550nm là giảm
nhẹ độ nhạy của bộ tách sóng, giá thành của linh kiện
cao hơn và đòi hỏi việc kết nối khắc khe hơn.
Má