Nội dung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI DƢƠNG HỮU ÁI ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ SC-QAM DƢỚI ẢNH HƢỞNG CỦA LỖI LỆCH TIA LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI DƢƠNG HỮU ÁI ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ SC-QAM DƢỚI ẢNH HƢỞNG CỦA LỖI LỆCH TIA Ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 9520208 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. HÀ DUYÊN TRUNG 2. PGS.TS. ĐỖ TRỌNG TUẤN Hà Nội – 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được trong luận án là chính xác và trung thực, tất cả các kế thừa của các tác giả khác đã được trích dẫn. Hà Nội, ngày 02 tháng 07 năm 2018 XÁC NHẬN CỦA TẬP THỂ HƯỚNG DẪN GV. Hướng dẫn 1 GV. Hướng dẫn 2 Tác giả luận án PGS.TS. Hà Duyên Trung PGS.TS. Đỗ Trọng Tuấn Dương Hữu Ái LỜI CẢM ƠN Trước hết tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến PGS. TS. Hà Duyên Trung và PGS. TS. Đỗ Trọng Tuấn đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, định hướng, động viên kịp thời trong suốt thời gian tác giả thực hiện luận án, đồng thời hỗ trợ tôi về nhiều mặt để tôi có thể hoàn thành bản luận án này. Qua đây tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn đến Viện Điện tử - Viễn thông và Viện Đào tạo sau đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Đồng thời, xin gửi lời cảm ơn các thầy cô, các anh chị, các bạn đồng nghiệp đã hỗ trợ tôi về nghiên cứu và học thuật cũng như trong công tác chuyên môn. Cuối cùng, tôi xin dành những lời cảm ơn và yêu thương nhất đến mọi thành viên trong gia đình, sự động viên, giúp đỡ của họ là động lực mạnh mẽ giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án này. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 02 tháng 07 năm 2018 Tác giả luận án Dương Hữu Ái MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................................. i DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................... v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................ vii CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN .......................... xii MỞ ĐẦU .................................................................................................................. xv 1. Bối cảnh nghiên cứu ....................................................................................... xv 2. Những vấn đề còn tồn tại .............................................................................. xix 3. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu................................................. xx 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ................................................. xxi 5. Phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................................. xxi 6. Đóng góp khoa học của luận án .................................................................... xxi 7. Bố cục luận án ............................................................................................... xxii CHƢƠNG 1 ............................................................................................................... 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG FSO...................................................................... 1 1.1. Giới thiệu chƣơng .......................................................................................... 1 1.2. Mô hình một hệ thống FSO .......................................................................... 1 1.2.1. Máy phát....................................................................................................2 1.2.2. Kênh truyền dẫn khí quyển........................................................................3 1.2.3. Máy thu......................................................................................................5 1.3. Các yếu tố ảnh hƣởng lên hiệu năng hệ thống FSO ................................... 7 1.4. Mô hình kênh truyền ..................................................................................... 8 1.4.1. Giới thiệu về nhiễu loạn không khí...........................................................8 1.4.2. Tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ...............................................................9 1.4.3. Mô Hình nhiễu loạn Log-Normal............................................................13 1.4.4. Mô hình nhiễu loạn Gamma-Gamma......................................................17 1.4.5. Mô hình pha-đinh do lệch tia...................................................................19 1.5. Kỹ thuật MIMO và điều chế trong FSO ................................................... 22 1.5.1. Giới thiệu về điều chế trong FSO...........................................................22 i 1.5.2. Điều chế biên độ cầu phương..................................................................23 1.5.3. Kỹ thuật phân tập MIMO........................................................................24 1.6. Các thông số đánh giá hiệu năng của hệ thống ......................................... 26 1.6.1. Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình.........................................................................26 1.6.1.1. Hệ thống SISO/FSO ........................................................................ 26 1.6.1.2. Hệ thống MIMO/FSO ..................................................................... 26 1.6.2. Dung lượng trung bình............................................................................27 1.6.2.1. Hệ thống SISO/FSO ........................................................................ 27 1.6.2.2. Hệ thống MIMO/FSO ..................................................................... 27 1.7. Kết luận chƣơng 1 ........................................................................................ 28 CHƢƠNG 2 ............................................................................................................. 29 ẢNH HƢỞNG CỦA LỖI LỆCH TIA LÊN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ SC-QAM ............................................. 29 2.1. Giới thiệu chƣơng ........................................................................................ 29 2.2. Hệ thống FSO điểm-điểm sử dụng chuyển tiếp ........................................ 30 2.3. Mô hình trạng thái kênh truyền ................................................................. 32 2.3.1. Suy hao đường truyền..............................................................................32 2.3.2. Nhiễu loạn khí quyển...............................................................................33 2.3.2.1. Mô hình nhiễu loạn Log-Normal .................................................... 34 2.3.2.2. Mô hình nhiễu loạn Gamma-Gamma .............................................. 36 2.3.3. Lỗi lệch tia...............................................................................................37 2.4. Tổng hợp biến đổi tín hiệu cho toàn hệ thống........................................... 38 2.4.1. Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển...............................38 2.4.2. Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia................................................39 2.4.2.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 39 2.4.2.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh ................................ 40 2.5. Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình ............................................................................ 42 2.6. Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống FSO với tham số ASER ............... 43 ii 2.6.1. Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển...............................43 2.6.1.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 44 2.6.1.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh ................................ 45 2.6.2. Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia................................................47 2.6.2.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 47 2.6.2.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh ................................ 51 2.7. Dung lƣợng kênh trung bình ...................................................................... 54 2.7.1. Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển...............................54 2.7.1.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 54 2.7.1.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh ................................ 55 2.7.2. Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia................................................56 2.7.2.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 56 2.7.2.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh ................................ 57 2.7.3. Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống FSO với tham số ACC..................58 2.7.3.1. Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển ....................... 58 2.7.3.2. Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia ........................................ 61 2.8. Kết luận chƣơng 2 ........................................................................................ 63 CHƢƠNG 3 ............................................................................................................. 65 GIẢM ẢNH HƢỞNG CỦA LỖI LỆCH TIA LÊN HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG FSO CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG KỸ THUẬT MIMO ....................... 65 3.1. Giới thiệu chƣơng ........................................................................................ 65 3.2. Hệ thống FSO chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật MIMO ............................... 66 3.3. Mô hình trạng thái kênh truyền ................................................................. 67 3.4. Tổng hợp biến đổi tín hiệu cho toàn hệ thống........................................... 69 3.4.1. Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển...............................69 3.4.2. Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia................................................70 3.4.2.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 70 3.4.2.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình điến mạnh ............................... 71 iii 3.5. Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình ............................................................................ 71 3.6. Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống FSO với tham số ASER ............... 72 3.6.1 Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển................................73 3.6.1.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 73 3.6.1.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh ................................ 74 3.6.2 Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia.................................................76 3.6.2.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 76 3.6.2.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh ................................ 80 3.7. Dung lƣợng kênh trung bình ...................................................................... 83 3.7.1. Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển...............................83 3.7.1.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 83 3.7.1.1. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh ................................ 84 3.7.2. Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia................................................85 3.7.2.1. Nhiễu loạn khí quyển yếu................................................................ 85 3.7.2.2. Nhiễu loạn khí quyển từ trung bình đến mạnh ................................ 85 3.7.3. Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống FSO với tham số ACC..................86 3.7.3.1. Hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển ....................... 86 3.7.3.2. Hệ thống chịu ảnh hưởng của lỗi lệch tia ........................................ 90 3.8. Kết luận chƣơng 3 ........................................................................................ 92 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 95 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............. 103 iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Thuật ngữ tiếng anh Nghĩa tiếng việt ACC Average Channel Capacity Dung lượng kênh trung bình AF Amplify-and-Forward Khuếch đại và chuyển tiếp APD Avalanche Photodiode Đi-ốt quang thác lũ ASE Average Spectral Efficiency Hiệu suất phổ trung bình ASER Average Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi ký tự trung bình ASK Amplitude Shift Keying Điều chế khóa dịch biên độ AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bít CEP Conditional Error Probability Xác suất lỗi có điều kiện DF Decode-and-Forward Giải mã và chuyển tiếp DSL Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số EGC Equal Gain Combining Bộ tổ hợp với cùng độ lợi FEC Forward Error Correction Sửa lỗi hướng đi FSO Free-Space Optics Truyền thông quang trong không gian tự do G-G Gamma-Gamma Phân bố Gamma-Gamma HV-Day Hufnagel-Valley Day Model Mô hình HV-Day HV-Night Hufnagel-Valley Night Model Mô hình HV-Night IM/DD Intensity Modulation with Direct Detection Điều chế cường độ tách sóng trực tiếp IM Intensity Modulation Điều chế cường độ IR Infrared Radiation Bức xạ hồng ngoại L-N Log-Normal Phân bố Log-Normal LED Light Emitting Diode Đi-ốt phát quang LOS Line-Of-Sight Tầm nhìn thẳng v MIMO Multipe-Input Multipe-Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra MRC Maximal Ratio Combining Bộ tổ hợp với tỷ số tối đa OOK On-Off Keying Điều chế khóa đóng-mở OWC Optical Wireless Communications Truyền thông quang không dây PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất PD Photodiode Diode tách quang PPM Pulse-Position Modulation Điều chế vị trí xung PSK Phase-shift Keying Điều chế khóa dịch pha QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương RV Random Variable Biến ngẫu nhiên RF Radio Frequency Tần số vô tuyến Scanning and Selection Bộ tổ hợp theo kiểu quét và lựa Combining chọn SC-PPM Subcarrier – Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung sóng mang con SC-PSK Subcarrier – Phase-shift Keying Điều chế khóa dịch pha song mang con SC SC-QAM Subcarrier – Quadrature Điều chế biên độ cầu phương sóng mang con Amplitude Modulation SIM Subcarrier Intensity Modulation Điều chế cường độ sóng mang con SISO Single-Input Single-Output Một đầu vào một đầu ra SLC-Day Submarine Laser Communication Day Model Mô hình SCL-Day SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu VLC Visible Light Communication Truyền thông ánh sáng nhìn thấy vi