Tính toán, thiết kế tối ưu tuyến thông tin quang không dây ứng dụng trong điều kiện khí hậu Việt Nam

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 206 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ TỐI ƯU TUYẾN THÔNG TIN QUANG KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM CALCULATING, DESIGNING, OPTIMIZING FREE-SPACE OPTICS (FSO) LINK APPLIED IN VIET NAM’S CLIMATE SVTH: Nguyễn Ngọc Dương, Phan Vĩnh Vương Lớp 05DT2, Trường Đại học Bách khoa GVHD: GVC.TS. Nguyễn Văn Tuấn Khoa Điện tử-Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa TÓM TẮT Bài cáo này đề nghị giải pháp nâng cao chất lượng hệ thống mạng truy cập đầu cuối tại Việt Nam bằng cách ứng dụng kỹ thuật FSO như là 1 giải pháp Last Mile tốc độ cao. Trên cơ sở tìm hiểu kỹ thuật FSO, chúng tôi đánh giá khả năng ứng dụng của nó vào nước ta. Sau đó xây dựng lưu đồ thuật toán, ứng dụng vào việc tính toán tuyến FSO khoảng cách 1km tại Đà Nẵng với điều kiện thời tiết mưa lớn nhất 120mm/h và rất ít sương mù, nếu có cũng rất nhẹ và thời gian ngắn. Vì hạn chế về thiết bị để đo đạt thực tế, chúng tôi xây dựng chương trình mô phỏng trên phần mềm Opticsystem7.0 để so sánh kết quả tính toán bằng Matlab với kết quả rút ra từ chương trình mô phỏng. ABSTRACT In this paper, we propose the solution for enhancing the quality of access network in Vietnam by applying FSO technology as a high speed solution for Last Mile problem. After studying the fundamental of FSO, we establish the application ability in Vietnam. We build the algorithm chart for calculating typical FSO link. It is the 1Km link in Da Nang in condition of the 120mm/h rain rate (highest one) and a little fog. Because of lack of experimental equipment, we simulate system by Opticsystem7.0 software and compare its results with one of the Matlab program. 1. Những điểm cơ bản của kỹ thuật FSO FSO là kỹ thuật viễn thông truyền dữ liệu giữa hai điểm sử dụng phương pháp bức xạ ánh sáng (850nm – 1550nm) thông qua kênh truyền là môi trường không khí chưa xác định. Tuyến FSO là tuyến thông tin tầm nhìn thẳng (LoS). 1.1. Những đặc tính của FSO Vì tần số ánh sáng là rất lớn (300THz) nên băng thông dùng cho thông tin lớn hơn rất nhiều so với dải RF (105Hz). Chùm sáng hẹp nên công suất phát chỉ tập trung và các tuyến FSO không ảnh hưởng lẫn nhau. Đồng thời, không cần đăng kí phổ tần và kế thừa các nguồn thu phát của hệ thống thông tin quang nên chi phí rẻ. Dễ dàng lắp đặt. Khả năng hoạt động của tuyến FSO gắn chặt với điều kiện thời tiết có đặc tính không ổn định là những thách thức lớn. LASER Hình 1: LAN to LAN bằng FSO Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 207 1.1.1. Những ứng dụng của FSO Kỹ thuật FSO bổ sung cho các công nghệ hiện tại để mang lưu lượng rất lớn từ mạng xương sống (Dung lượng 120Gbps và 240Gbps) tới các người dung có nhu cầu. Trong các ứng dụng nổi bật, FSO phù hợp với một số sau: Kết nối truy cập tới người dung Mạng MAN thành phố, LAN to LAN trong các tổ chức doanh nghiệp lớn Bbackbone GSM và 3G 2. Thông tin quang qua kênh truyền tán xạ và hấp thụ theo thuyết truyền bức xạ Nhiều nghiên cứu sử dụng lí thuyết truyền bức xạ điện từ để mô hình hoá kênh truyền không gian của tuyến FSO. Nhưng phương pháp này khá phức tạp chỉ thật phù hợp với hiện tượng đa tán xạ Mie không kết hợp trong thời tiết sương. Khí hậu Việt Nam rất ít xảy ra sương mù nặng, điều kiên thời tiết bất lợi cho FSO lớn nhất là mưa. Trong phạm vi nghiên cứu chúng tôi tập trung vào các mô hình thực nghiệm, lưu đồ thuật toán để tính toán và tối ưu các thông số của tuyến FSO trong điều kiện Việt Nam. 2.1. Tính toán, tối ưu tuyến thông tin quang không dây trong điều kiện khí hậu Việt Nam 2.1.1. Khí hậu Việt Nam Khí hậu Việt Nam thuộc khu vực nhiệt đới, lãnh thổ trải dài theo vĩ độ. Miền Bắc có cả bốn mùa, miền Trung và Nam chủ yếu hai mùa mưa nắng phân bố theo các tháng trong năm. Nhìn chung thời tiết Việt Nam khô nắng vào mùa hè và mưa to, gió bão vào mùa mưa. 2.1.2. Tính toán độ suy hao tuyến quang thực tế có thể có tại Việt Nam Việc truyền của ánh sáng trong môi trường không khí được mô tả bằng định luật Beer Lamber: )])(exp[ )0,( ),( ),( L P LP L (1) trong đó: )( là hàm truyền theo , ),( Lp là công suất ở khoảng cách L từ bộ phát, )0,(p là công suất phát, )( hệ số suy hao tổng cộng trên 1 đơn vị chiều dài. Hệ số suy hao tổng cộng bao gồm các thành phần suy hao tán xạ và hấp thụ. Nhìn chung trong điều kiện Việt Nam là tổng của các thành phần sau: γ(λ) = αmưa(λ) + β(λ) (2) Suy hao do mưa gây ra: mưa(λ) = 1,076*R 0,67 (dB/km) (3) Để tính suy hao do tán xạ nói chung (không phải sương mù) ta dùng công thức từ công trình nghiên cứu P.W Kruse và I.I KIM: ( ) = q nm V 550 912,3 (4) Các cuộc nghiên cứu và thực nghiệm cho thấy giá trị hệ số q được cho theo độ phân bố kích thước hạt và cho theo công thức: (5) Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 208 2.1.3. Tính toán độ dự trữ công suất và BER tuyến FSO: Tính toán suy hao do mưa theo công thức (3) tán xạ theo công thức (4) Loss = mưa( ) *range +10*log10( ( ) *range) (6) Với Nb là độ nhạy máy thu (Photons/Bit), rate là tốc độ bit truyền, h = hằng số Planck, c là tốc độ ánh sáng. Thì độ nhạy công suất máy thu là: Psen = Nb.r.(hc/λ) (7) Ta chỉ chú trọng vào ảnh hưởng đường truyền lên chất lượng thu nên công suất đầu vào mấy thu xác định bằng công thức: Preceive = P_transmit – Loss (8) Từ công suất thu P_receive, băng thông (bằng ½ tốc độ nếu dùng kỹ thuật điều chế OOK), và bước sóng được dùng ta tìm được SNR (tỉ số tín hiệu trên nhiễu) Pr = hcBSNR .. => SNR = hcB Pr . .. ; (9) ( là hiệu suất lượng tử bộ thu quang(với bộ tách sóng bằng vật liệu CCD thì >90%) Tỉ lệ lỗi bit: BER = 2 1 erfc(1/2 2/SNR (10) 2.1.4. Chương trình mô phỏng bằng Opticsystem7.0 Hình 2: sơ đồ mổ phỏng tuyến FSO ghép 8 bước sóng bằng WDM, trích lấy 2 tín hiệu ra Hình 3. giản đồ mắt và BER chanel 1 Hình 4. giản đồ mắt và BER chanel 8 Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 209 Ta thấy rằng kết quả trên 2 kênh không khác nhau nhiều, BER đều đạt yêu cầu. Và so sánh kết quả các kênh ta thấy chất tín hiệu thu không phụ thuộc vào kênh. 2.1.5. Lưu đồ thuật toán và kết quả tính toán bằng Matlab và mô phỏng Kết quả thu được: bằng cách thay đổi các thông số vào ta biết được với điều kiện cụ thể thì tuyến FSO khả dụng ở tốc độ bao nhiêu. Từ đó chọn công suất và bước sóng trong phạm vi được xác định để hiệu quả kinh tế nhất tất cả giá trị BER tốt nhất ở các tốc độ khác nhau đều ứng với trường hợp công suất lớn nhất và bước sóng 1550nm. Điều này phù hợp với lí thuyết về suy hao trong vùng hồng ngoại do mưa ở tầm nhìn trên 1Km. Start Nhập dư liệu đầu vào (khoảng cách link, lượng mưa, độ nhạy photon/bit) Tính tầm nhìn (visibility) và hệ số q 2 vòng lặp quét các tốc độ và bước sóng khả dụng Tính độ nhạy máy thu và suy hao tổng Vòng lặp quét các giá trị công suất khả dụng Tính BER P-re > P-sen + Margin BER < BERmax (rate,buoc song) Ghi lại thông số Quét hết gia trị Power Quét hết gia trị Rate, Yes No Yes No End Yes Yes Dựa trên nhưng thông tin có được. ta xây dựng thuật toán tìm phương án tối ưu cho 1 tuyến quang trong điều kiện Việt Nam. Thông số đầu vào là: khoảng cách tuyến FSO, lượng mưa, độ nhạy(photon/bit). Các yếu tố được kiểm tra cho đường truyền chất lượng tốt nhất là: công suất phát (10dBm - 20dBm) tốc độ truyền 2,048Mbps, 100Mbps, 155Mbps, 625Mbps, 1Gbps, 1,25Gbps. Bước sóng 830nm - 1550nm Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 210 Kết luận Từ kết quả tính toán và mô phỏng, ta thấy tuyến FSO 1km, trong điều kiện mưa 100mm/h tín hiệu thu được đạt yêu cầu với BER 10-5 – 10-6 (hình 4, 5), và kết quả này cũng đúng với tính toán bằng FSO. Trong điều kiện mưa trên 100mm/h chỉ xảy ra dưới 1%(4 ngày/năm) tại Đà nẵng và thấp hơn ở các tỉnh phía nam thì FSO là hoàn toàn có thể được áp dụng trong những trường hợp cụ thể với xác suất vận hành tốt là 99%. Từ phần mô phỏng ta có thể thấy khả năng mở rộng băng thổng của tuyến FSO cho những yêu cầu tốc độ cao. Và sau khi phát triển hoàn thiện chương trình tính toán bằng Matlab, ta có thể đưa ra những khuyến nghị các lựa chọn tối ưu cho 1 tuyến FSO tại 1 điều kiện ở Việt Nam. Kết quả tính toán tìm ra các thông số tốt nhất tương ứng với bước sóng 1550 nm mang ý nghĩa thực tiễn cao vì chúng ta có thể mua các thiết bị phát (Laser diode) hoạt động ở vùng bước sóng 1550 nm sẵn có trên thị trường vì được sử dụng rất phổ biến trong hệ thống thông tin sợi quang, nghĩa là giảm được giá thành và nâng cao độ tin cậy của hệ thống FSO.Trong điều kiện về mặt thời gian và kinh phí ít, không cho phép kiểm tra và đánh thực tế tuyến FSO trong môi trường thực Việt Nam. Ngoài ra chúng tôi cũng chưa tiến hành khảo sát thực tế nhu cầu thực sự của các doanh nghiệp, nhà cung cấp dịch vụ cho việc tiến hành áp dụng công nghệ FSO. Vậy nếu được tiếp tục đề tài này chúng tôi sẽ tiến hành 2 bước trên để đưa công nghệ vào mạng thực tế tại Việt Nam. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ghassemlooy, Z. and Popoola, W.O, Terrestrial Free-Space Optical Communications, Northumbria University, Newcastle upon Tyne, UK. [2] Joseph A. Turner*, Richard L. Weaver, Radiative transfer of ultrasound, *University of Nebraska – Lincoln. USA [3] Al Naboulsi; M., Sizun H.; de Fornel F. Propagation of optical and infrared waves in the atmosphere, Université de Bourgogne, Avenue Alain Savary, Cédex, France [4] Dr. Arun K. Majumdar, Free-Space Laser Communications: Fundamentals, System Design, Analysis and Applications, Brno University of Technology, Brno, Czech Republic. Hình 4: BER thay đổi theo công suất phát tại bước sóng 1550nm và tốc độ 1,25Gbps Hình 5: Công suất thu thay đổi theo BER tại bước sóng 1550nm và tốc độ 1,25Gbp