TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG KHÔNG DÂY FSO
Giới thiệu hệ thống FSO
Khác với các hệ thống không dây thông thường, FSO (Free Space Optics) là công nghệ truyền dẫn quang qua không gian tự do, không yêu cầu đăng ký phổ hay phối hợp tần số Hệ thống này hạn chế nhiễu giữa các thiết bị, đồng thời tín hiệu laser điểm - điểm rất khó bị can thiệp, đảm bảo tính bảo mật cao Tốc độ dữ liệu của FSO có thể so sánh với truyền dẫn qua sợi quang và tỉ lệ lỗi thấp Việc sử dụng chùm laser có độ rộng phổ hẹp cũng cho phép lắp đặt nhiều bộ thu, phát tại cùng một địa điểm.
Hiện nay, nhu cầu về dịch vụ băng thông rộng trong các mạng đô thị ngày càng tăng cao do sự phát triển của các ứng dụng Tuy nhiên, sự chênh lệch tốc độ truyền dẫn giữa mạng lõi và mạng truy cập đã dẫn đến tình trạng mất cân bằng, thường được gọi là "nghẽn cổ chai".
“Nghẽn cổ chai” đang trở thành vấn đề phổ biến trong các mạng đô thị hiện nay, buộc các nhà cung cấp dịch vụ phải nhanh chóng thay đổi trong khi nguồn vốn đầu tư còn hạn chế Mặc dù có nhiều giải pháp công nghệ để giải quyết vấn đề này, hầu hết vẫn chưa mang lại hiệu quả kinh tế Việc sử dụng cáp sợi quang là lựa chọn rõ ràng nhất để tăng dung lượng mạng truy nhập, nhưng chi phí lắp đặt và thời gian triển khai lại là những rào cản lớn Hơn nữa, sau khi lắp đặt, cáp sợi quang trở thành “giá trị cố định” và không thể di dời khi khách hàng chuyển nhà cung cấp, gây khó khăn trong việc khôi phục giá trị hạ tầng trong thời gian hợp lý.
Hình 1.1:Hiện tƣợng nghẽn cổ chai trong mạng
Một lựa chọn thay thế cho công nghệ truyền dữ liệu là công nghệ không dây sử dụng tần số vô tuyến RF (Radio Frequency) Công nghệ này cho phép truyền tín hiệu ở khoảng cách xa hơn so với FSO, nhưng yêu cầu đầu tư lớn để đăng ký dải phổ Hơn nữa, các mạng RF gặp khó khăn trong việc mở rộng dung lượng cao So với FSO, RF không mang lại hiệu quả kinh tế cho các nhà cung cấp dịch vụ đang tìm kiếm khả năng mở rộng dung lượng của mạng quang.
Công nghệ dựa trên dây cáp đồng, như Ethernet, T1s và DSL, là một lựa chọn phổ biến do hạ tầng cáp đồng có mặt rộng rãi Tuy nhiên, mặc dù số lượng tòa nhà sử dụng cáp đồng cao hơn cáp quang, giải pháp này không đủ để giải quyết tình trạng nghẽn cổ chai, chủ yếu do hạn chế về băng thông Công nghệ cáp đồng chỉ có thể cung cấp băng thông từ 2Mbit đến 3Mbit/s, khiến nó trở thành một giải pháp tạm thời cho các vấn đề kết nối.
Giải pháp FSO (Free Space Optics) là công nghệ tối ưu cho việc cung cấp băng thông rộng nhờ vào độ rộng băng thông, tốc độ triển khai nhanh chóng (vài giờ thay vì vài tuần hoặc tháng), tính linh hoạt trong việc tái triển khai và chuyển dịch, cùng với chi phí lắp đặt thấp (chỉ bằng 1/5 so với cáp quang) Đặc biệt, đối với các nhà cung cấp mạng đô thị MAN (Metropolitan Area Network), FSO giải quyết hiệu quả vấn đề "dặm cuối" (last mile), giúp khách hàng mới dễ dàng truy cập vào mạng MAN với tốc độ cao.
Bảng 1.1: Bảng so sánh FSO và một số công nghệ khác UTP
Cáp đồng Sóng viba Vệ tinh Cáp quang FSO
10Mbps – 1.000Mbps 500Mbps 275Mbps 90Mbps 100Mbps-
Cài đặt Dễ dàng Trung bình Khó Khó Khó Trung bình
Chi phí Ít nhất Trung bình
Trung bình (không tính giá vệ tinh)
Bảo trì Thấp Trung bình Thấp Thấp Thấp Thấp
Kĩ năng cần thiết để cài đặt
Thấp Trung bình Cao Cao Cao Trung bình Đối tƣợng sử dụng thông dụng
Mạng LAN trong các tòa nhà
Mạng đa điểm Điểm – điểm, khoảng cách ngắn Điểm – điểm, khoảng cách dài Điểm – điểm
Giữa các tòa nhà, khoảng cách ngắn Ƣu điểm
Rẻ, thân thiện, dễ cài đặt, phổ biến Ít gây nhiễu tới các thiết bị khác, tốc độ cao
Tốc độ Tốc độ, tính di động cao
Bảo mật, dung lƣợng lớn, không chịu ảnh hưởng
Giá cả, hiệu năng hợp lý nhiễu điện từ (EMI)
Gây nhiễu, bị giới hạn khoảng cách nếu không có bộ lặp hay bộ khuếch đại
Kềnh càng, khó sử dụng
Trễ truyền sóng, có thể bị chặn
Bảo mật Tốt Tốt Kém Kém Rất tốt Tốt
Cáp xoắn cho phép tốc độ cao hơn nhƣng khó sử dụng
Băng rộng yêu cầu cường độ bảo trì cao hơn
Yêu cầu đăng ký sóng từ FCC Ít sử dụng cho các mạng cá nhân
Chƣa có giới hạn về dung lƣợng
Hệ thống FSO (Free Space Optics) hoạt động trong môi trường truyền dẫn không gian tự do, được phân loại thành hai loại chính: FSO trong nhà và FSO ngoài trời FSO trong nhà sử dụng khoảng không gian bên trong các tòa nhà, nơi có môi trường truyền dẫn ổn định và ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khí hậu bên ngoài.
FSO ngoài trời sử dụng bầu khí quyển làm môi trường truyền dẫn, nhưng môi trường này có tính ổn định kém Điều này là do nó chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ các yếu tố môi trường như sương mù, mưa và nhiễu từ ánh sáng bên ngoài.
1.1.1 Các lợi thế và thách thức của hệ thống FSO
Các lợi thế của FSO
- Không yêu cầu giấy phép phổ tần vô tuyến
- Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ
- Dễ dàng triển khai lắp đặt
- Khả năng bảo mật cao
Công nghệ FSO mang lại nhiều lợi thế so với công nghệ cáp sợi, cho phép triển khai linh hoạt trong nhiều kiến trúc mạng như lắp đặt từ nóc nhà đến nóc nhà hoặc từ cửa sổ đến cửa sổ Nó cũng hỗ trợ các ứng dụng di động và trong một số trường hợp, chi phí triển khai có thể thấp hơn so với cáp quang Nhờ đó, công nghệ FSO giúp giảm thiểu chi phí triển khai Hơn nữa, truyền thông FSO analog có thể giảm số lượng thiết bị truyền dẫn so với các phương pháp số.
So với các đường truyền vô tuyến, đường truyền FSO không cần cấp phép và có khả năng chống nhiễu điện từ (EMI) cao, đồng thời cung cấp tính bảo mật tốt hơn FSO cũng kháng lại các nhiễu từ nguồn bức xạ quang khác, với chùm tia không thể bị phát hiện bởi các thiết bị phân tích phổ hay máy đo RF Hệ thống truyền dẫn laser FSO hoạt động hoàn toàn quang học và truyền tải theo đường nhìn thẳng (LOS) mà không dễ bị can thiệp Các chùm laser hẹp và vô hình, cho phép truyền dữ liệu qua kết nối bảo mật cho các mạng FSO Đối với các nhà cung cấp giải pháp mạng đô thị băng thông rộng, FSO là lựa chọn hiệu quả với băng thông dồi dào (200 THz trong khoảng sóng 700-1500 nm) Triển khai hệ thống FSO giúp thiết lập mạng truyền dẫn quang tốc độ cao nhanh chóng, an toàn và tiết kiệm chi phí, đồng thời giảm thiểu rủi ro và góp phần nâng cao diện mạo đô thị.
Các thách thức đối với hệ thống FSO
Giới hạn cơ bản của hệ thống truyền dẫn quang không dây FSO (Free Space Optics) chủ yếu do điều kiện môi trường gây ra Ngoài việc tuyết và mưa có thể cản trở tín hiệu, sương mù và sự nhiễu loạn trong không khí cũng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của FSO Những yếu tố này tạo ra những thách thức lớn trong việc thiết kế và triển khai các hệ thống FSO hiệu quả.
Hình 1.2:Các ảnh hưởng bên ngoài tời hệ thống FSO
Sương mù là một thách thức lớn trong lĩnh vực truyền thông quang học, do nó hình thành từ những giọt nước nhỏ có đường kính vài trăm micromet Sương mù có khả năng làm thay đổi đặc tính truyền lan của ánh sáng, gây ra hiện tượng hấp thụ, tán xạ và phản xạ, dẫn đến suy giảm mật độ công suất của búp sóng phát Kết quả là, cự ly hoạt động của hệ thống FSO bị giảm đáng kể.
Sự nhấp nháy là hiện tượng biến đổi cường độ sáng do sự hỗn loạn không khí, gây ra bởi gió và sự thay đổi nhiệt độ Những túi khí có mật độ thay đổi nhanh làm thay đổi chỉ số chiết xuất, dẫn đến sự hỗn loạn Các túi khí này hoạt động như những thấu kính có đặc tính thay đổi theo thời gian, làm tăng tỷ lệ lỗi bit trong các hệ thống FSO, đặc biệt là dưới ánh sáng mặt trời.
Sự trôi búp là hiện tượng xảy ra khi luồng gió xoáy mạnh hơn đường kính của búp sóng quang, dẫn đến sự dịch chuyển chậm nhưng đáng kể của búp sóng này Ngoài ra, sự trôi búp cũng có thể do các hoạt động địa chấn gây ra, làm thay đổi vị trí tương đối giữa laser phát và bộ thu quang.
Giữ thẳng hướng giữa khối phát và khối thu là rất quan trọng để đảm bảo thành công trong việc truyền tín hiệu Việc này trở nên phức tạp khi sử dụng búp sóng hẹp với góc phân tán và tầm nhìn Sự dẫn nhiệt từ khung tòa nhà hoặc những trận động đất nhẹ có thể gây lệch hướng, trong khi dẫn nhiệt có tính chu kỳ theo ngày hoặc mùa, động đất lại không thể dự đoán Gió cũng là một yếu tố gây lệch hướng, đặc biệt khi các thiết bị thu phát được lắp đặt trên các tòa nhà cao Sự dao động của tòa nhà là một quá trình ngẫu nhiên, ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống và có thể gây ra lỗi.
Mô hình hệ thống FSO
Hệ thống FSO gồm ba phần: bộ phát, kênh truyền và bộ thu
Hình 1.3:Mô hình hệ thống FSO
Dữ liệu đầu vào được truyền từ nguồn đến đích xa thông qua cơ chế điều chế sóng mang quang, như điều chế laser Các tham số quan trọng của hệ thống phát quang bao gồm kích cỡ, công suất và chất lượng búp sóng, ảnh hưởng đến cường độ laser và góc phân kỳ tối thiểu Phương thức điều chế phổ biến là điều chế cường độ (IM), trong đó cường độ phát xạ của nguồn quang được điều chế bởi dữ liệu cần truyền Việc điều chế có thể thực hiện bằng cách thay đổi cường độ nguồn quang trực tiếp hoặc qua bộ điều chế ngoài như bộ giao thoa MZI, giúp đạt tốc độ dữ liệu cao hơn Ngoài ra, các thuộc tính khác của trường bức xạ quang như pha, tần số và trạng thái phân cực cũng có thể được sử dụng để điều chế dữ liệu thông qua bộ điều chế ngoài.
Laser, viết tắt của Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, là công nghệ khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích Hiện nay, bộ phát laser đã trở thành một thành phần quan trọng trong hệ thống viễn thông, đóng vai trò là bộ phát chính trong thông tin quang Đặc biệt, ứng dụng của laser trong thông tin quang trong không gian tự do là một chủ đề đáng chú ý trong nghiên cứu hiện nay.
Bộ phát laser ban đầu được phát triển dựa trên thiết bị Master, có cơ chế tương tự nhưng phát ra tia vi sóng thay vì bức xạ ánh sáng Master đầu tiên không thể phát ra các chùm bức xạ liên tiếp, và giải pháp cho vấn đề này đã được tìm ra bởi các nhà khoa học Nga Nikolai Basov và Aleksandr Prokhorov Năm 1964, hai nhà khoa học này vinh dự nhận giải Nobel Vật lý cùng với tiến sỹ Townes.
Laser hồng ngọc, lần đầu tiên được phát minh vào năm 1960 bởi nhà vật lý Theodore Maiman tại phòng thí nghiệm Hughes ở Malibu, California, là một loại laser chất rắn Hồng ngọc, được cấu thành từ oxit nhôm pha lẫn crôm, có khả năng hấp thụ ánh sáng màu xanh lá cây và xanh lục, tạo ra tia sáng màu hồng đặc trưng.
Cấu trúc cơ bản của Laser bao gồm nhiều lớp bán dẫn không đồng nhất, tạo thành cấu trúc dị thể kép và được thiết kế dưới dạng khoang cộng hưởng Fabry-Perot Khoang cộng hưởng là một hình hộp chữ nhật sáu mặt, có khả năng giữ lại photon và các hạt tải điện, với kích thước rất nhỏ: chiều dài từ 250 đến 500 µm, chiều rộng từ 5 đến 15 µm, và độ dày từ 0,1 đến 0,2 µm.
Hai tiếp giáp dị thể kép nằm trên và dưới lớp hoạt tính với chiết suất nhỏ hơn đã tạo ra khả năng giam hãm photon và hạt tải điện theo chiều ngang.
Bộ phát laser được cấu tạo từ ba thành phần chính: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang Buồng cộng hưởng, với hoạt chất laser là phần quan trọng nhất, chứa chất có khả năng khuếch đại ánh sáng thông qua phát xạ cưỡng bức, tạo ra tia laser Khi photon va chạm với hoạt chất, một photon mới sẽ được phát ra theo cùng hướng, trong khi buồng cộng hưởng có hai mặt chắn: một mặt phản xạ hoàn toàn photon và mặt kia cho phép một phần photon đi qua, tạo điều kiện cho các photon va chạm liên tục vào hoạt chất Quá trình này làm tăng mật độ photon, từ đó khuếch đại cường độ chùm laser lên nhiều lần.
Hình 1.4:Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Laser
Ngoài ra, việc tạo tín hiệu phát cũng đƣợc thực hiện bởi các loại nguồn khác nhau đƣợc mô tả trong bảng 1.2
Bảng 1.2: Các loại nguồn quang
Bước sóng Loại Ghi chú
Phát xạ mặt khoang cộng hưởng dọc
Rẻ và có tính khả dụng Không có hoạt động làm mát, mật độ công suất thấp, tốc độ lên tới ~10Gbps
Phân phối – phát phản xạ
Thời gian sống lâu Tiêu chuẩn an toàn cho mắt thấp hơn Mật độ công suất cao hơn 50 lần (100nW/cm 2 )
Tương thích với EDFA Tốc độ cao, lên tới 40Gbps Độ dốc hiệu quả 0,03-0,2 W/A
Thác lƣợng tử là công nghệ đắt tiền và tương đối mới, nổi bật với tốc độ nhanh và độ nhạy cao Nó cho phép truyền dẫn tốt hơn trong điều kiện sương mù, mặc dù thành phần chế tạo hiện chưa có sẵn trên thị trường và không thể thâm nhập qua thủy tinh.
Rẻ hơn Mạch điều khiển đơn giản Công suất và tốc độ dữ liệu thấp hơn
Trong dải bước sóng 700 – 10.000 nm, có một số cửa sổ truyền với suy hao < 0,2 dB/km, trong đó các hệ thống FSO chủ yếu hoạt động ở dải 780-850 nm và 1520-1600 nm Dải 780 – 850 nm được ưa chuộng do thiết bị và thành phần có sẵn với chi phí thấp Dải 1550 nm được chú ý vì khả năng tương thích với mạng ghép kênh phân chia theo bước sóng, bảo vệ mắt với công suất phát cao gấp 50 lần so với 850 nm, và khả năng giảm ảnh hưởng của năng lượng mặt trời cũng như tán xạ ánh sáng trong điều kiện thời tiết xấu như mây mù hay sương mù.
Dải 1550 nm có khả năng truyền tải công suất lớn, vượt qua suy hao do sương mù gây ra Tuy nhiên, dải này cũng gặp phải một số hạn chế như độ nhạy giảm, chi phí linh kiện cao hơn và yêu cầu về kết nối chặt chẽ.
Bộ thu hỗ trợ việc khôi phục các dữ liệu đã đƣợc phát đi từ phía phát Bộ thu bao gồm các thành phần sau:
Khẩu độ thu là yếu tố quan trọng trong việc tập hợp và tập trung các phát xạ quang tới bộ tách sóng quang Một khẩu độ lớn của bộ thu sẽ giúp tối ưu hóa khả năng thu nhận ánh sáng, từ đó tăng cường hiệu suất của bộ tách sóng quang.
Bộ lọc thông dải quang – Bộ lọc thông dải làm giảm lƣợng bức xạ nền
Bộ tách sóng quang, bao gồm PIN hoặc APD, chuyển đổi trường quang thành tín hiệu điện Các bộ tách sóng quang này thường được sử dụng trong các hệ thống truyền thông quang hiện đại, như được tóm tắt trong bảng 1.3.
Mạch xử lý tín hiệu – Có chức năng khuếch đại, lọc và xử lý tín hiệu để đảm bảo tính chính xác cao của dữ liệu đƣợc khôi phục
Bảng 1.3: Bộ tách sóng FSO
Vật liệu/cấu trúc Bước sóng (nm) Đáp ứng Độ lợi
Silicon PIN, với bộ khuếch đại phối hợp trở kháng
Có hai loại bộ thu quang cơ bản: bộ thu không kết hợp và bộ thu kết hợp Bộ thu không kết hợp hoạt động bằng cách tách trực tiếp công suất tức thời của trường quang tập trung khi chúng tiếp cận bộ thu, vì vậy nó thường được gọi là bộ thu tách trực tiếp hoặc bộ thu tách công suất.
Bộ thu đơn giản nhất có thể sử dụng khi thông tin truyền đi có sự biến đổi công suất, như trong trường hợp IM của trường quang Trong khi đó, bộ thu kết hợp hay bộ thu heterodyne kết hợp trường sóng ánh sáng cục bộ với trường ánh sáng thu được, cho phép tách photon từ sóng kết hợp Loại bộ thu này thường được áp dụng cho thông tin điều chế dựa trên sóng mang quang như điều biên (AM), điều tần (FM) hoặc điều pha (PM), và rất cần thiết cho việc tách sóng FM hoặc PM.
Quá trình tách các trường quang trong truyền thông FSO bị ảnh hưởng bởi nhiều nguồn nhiễu khác nhau, trong đó có ba loại chính: ánh sáng nền xung quanh, nhiễu từ bộ tách photon, và nhiễu nhiệt trong mạch điện tử Mặc dù có thể giảm thiểu bức xạ nền bằng bộ lọc quang, nhưng nó vẫn gây ra nhiễu đáng kể Nhiễu lượng tử từ bộ tách xuất phát từ sự ngẫu nhiên trong quá trình đếm photon, trong khi nhiễu nhiệt có thể được mô hình hóa như nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN), với mức phổ tỷ lệ thuận với nhiệt độ của bộ thu.
Các yếu tố ảnh hưởng lên hiệu năng của hệ thống FSO
Nhiễu lượng tử, hay còn gọi là nhiễu nổ, thường xuất hiện khi sử dụng bộ tách quang Khi sóng ánh sáng chưa được điều chế được đo bởi bộ tách quang, đầu ra sẽ cho hai thành phần dòng điện: một là dòng DC và hai là tín hiệu nhiễu lượng tử không mong muốn Nhiễu này phát sinh từ tính chất thống kê tự nhiên của sự sinh ra và tái hợp của các phần tử quang điện khi tín hiệu quang đi qua bộ tách sóng quang Các phần tử này có mật độ công suất đồng nhất ở tất cả các tần số Nếu mạch điện tử sau bộ tách sử dụng băng thông tần số f, giá trị trung bình bình phương biên độ dòng điện của nhiễu lượng tử sẽ được tính toán dựa trên các yếu tố này.
Trong đi-ốt tách quang APD, e là độ lớn của điện tích electron và i s là dòng tách quang trung bình theo công thức (1.1) Ngoài ra, có một dạng nhiễu liên quan đến nhiễu thừa, được sinh ra từ quá trình nhân thác ngẫu nhiên Dạng nhiễu F(g) được định nghĩa là tỉ số giữa nhiễu thực tế trong đi-ốt tách quang thác và nhiễu tồn tại khi tất cả các cặp sóng mang được nhân bởi g.
Hệ số nhân trung bình bình phương g2 có thể được xấp xỉ bằng g2 + x, với x dao động từ 0 đến 1, tùy thuộc vào vật liệu và cấu trúc Do đó, giá trị trung bình bình phương của biên độ dòng điện nhiễu lượng tử đối với APD được xác định như sau:
Nhiễu nhiệt, hay nhiễu Johnson, là hiện tượng xảy ra do sự rối loạn nhiệt độ của điện tích trong các sóng mang đi qua điện trở Khi nhiệt độ vượt quá 0 tuyệt đối, năng lượng nhiệt của các điện tích này dẫn đến sự thay đổi trong mật độ điện tích cục bộ, tạo ra gradient điện áp có khả năng sinh ra dòng điện trong mạch Nếu mạch điện hoạt động trong băng thông f và điện trở RL là hằng số, thì trung bình bình phương biên độ dòng điện của nhiễu Johnson i JN 2 có thể được tính toán.
Hằng số Boltzmann (k) và nhiệt độ tuyệt đối (T) đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu nhiễu Một phương pháp hiệu quả để giảm loại nhiễu này là hạ nhiệt độ của thành phần gây nhiễu xuống mức thấp hơn.
1.3.3 Nhiễu dòng tối và nhiễu nền
Dòng tối là dòng điện chảy qua mạch định thiên của đi-ốt tách quang khi không có ánh sáng, phát sinh từ các điện tử hoặc lỗ trống trong lớp tiếp giáp p-n Nó phụ thuộc vào loại vật liệu bán dẫn, nhiệt độ hoạt động và điện áp định thiên, với giá trị dao động từ 100 pA ở Si đến 100 nA ở Ge Nhiễu nền xuất hiện do ánh sáng không phải là tín hiệu truyền đi, và nếu đi-ốt không được cách biệt với bức xạ nền, nhiễu này không thể tránh khỏi Cả dòng tối và bức xạ nền đều có tính rời rạc và ngẫu nhiên, tương tự như nhiễu lượng tử.
Sự lệch chùm sáng – Góc lệch của chùm sáng so với tầm nhìn thẳng ban đầu khiến cho bộ thu không thu đƣợc tín hiệu
Sự mở rộng của chùm sáng – Mở rộng chùm sự phân kỳ của chùm sáng do tán xạ Do đó làm giảm mật độ công suất thu đƣợc
Sự nhấp nháy của chùm sáng xảy ra do sự thay đổi mật độ công suất trong không trung tại mặt phẳng thu, được gây ra bởi sự can thiệp của nhiễu nhỏ có trong chùm quang.
Sự suy giảm tính nhất quán trong không gian do nhiễu loạn không khí gây ra tổn thất về tính nhất quán pha của chùm quang Hiện tượng này ảnh hưởng đặc biệt mạnh đến các bộ thu hoạt động dựa trên nguyên lý trộn photon, chẳng hạn như bộ thu nhất quán.
Sự biến động phân cực xảy ra khi trạng thái phân cực của chùm quang thay đổi sau khi đi qua môi trường nhiễu loạn Tuy nhiên, lượng biến động phân cực này thường không đáng kể khi bức xạ quang ngang di chuyển qua vùng không khí nhiễu loạn.
Kết luận chương 1
Chương 1 đã giới thiệu tổng quan về hệ thống truyền thông quang qua không gian tự do (FSO) và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống Với nhu cầu ngày càng tăng về giải pháp truyền dẫn tốc độ cao cho doanh nghiệp, tổ chức và cá nhân, các giải pháp này cần phải tiết kiệm chi phí, dễ triển khai và đảm bảo an toàn, tin cậy trong việc truyền tải thông tin FSO đáp ứng được những yêu cầu này và dự kiến sẽ được áp dụng rộng rãi hơn trong tương lai.
CÁC MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY
Suy hao trong hệ thống RF và FSO
2.1.1 Suy hao trong hệ thống RF
Chất lượng của hệ thống thông tin phụ thuộc vào kênh truyền, nơi tín hiệu được gửi từ máy phát đến máy thu Trong khi kênh truyền hữu tuyến ổn định và dễ dự đoán, kênh truyền vô tuyến lại rất ngẫu nhiên và khó phân tích Tín hiệu vô tuyến có thể bị cản trở bởi các vật cản như toà nhà, núi non, và cây cối, dẫn đến hiện tượng phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ, làm suy giảm biên độ tín hiệu Những hiện tượng này, được gọi là fading, khiến máy thu nhận được nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát, từ đó ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến.
Hiện tƣợng fading trong một hệ thống thông tin có thể đƣợc phân thành hai loại: fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale fading)
Fading tầm rộng là hiện tượng suy yếu tín hiệu do sự di chuyển trong khu vực rộng lớn, bị ảnh hưởng bởi địa hình như đồi núi, rừng và các công trình cao tầng giữa máy phát và máy thu Khi tín hiệu bị che khuất bởi các vật cản cao, độ suy hao kênh truyền có thể được ước lượng dựa trên khoảng cách giữa các thiết bị Các thống kê về fading tầm rộng cung cấp thông tin quan trọng cho việc phân tích và cải thiện chất lượng tín hiệu trong truyền thông.
Fading tầm hẹp là hiện tượng thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu, xảy ra do sự thay đổi nhỏ trong vị trí giữa phía phát và phía thu, thường là khoảng nửa bước sóng Hiện tượng này được giải thích qua hai nguyên lý chính: sự trải thời gian (time-spreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time-variant) của kênh truyền Trong các ứng dụng di động, kênh truyền biến đổi theo thời gian do sự di chuyển của cả phía phát và phía thu, dẫn đến sự thay đổi trong đường truyền sóng.
Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống di động:
- Phản xạ xảy ra khí sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng phẳng với kích thước rất lớn so với bước sóng tín hiệu RF
Nhiễu xạ xảy ra khi sóng bị cản trở bởi các vật cản lớn và dày đặc, khiến năng lượng RF được truyền từ phía phát đến phía thu mà không cần đường truyền thẳng Hiện tượng này, thường được gọi là hiệu ứng chắn (shadowing), cho phép trường tán xạ đến bộ thu mặc dù có vật cản không thể truyền xuyên qua.
Tán xạ là hiện tượng xảy ra khi sóng điện từ va chạm với bề mặt lớn và gồ ghề, dẫn đến việc năng lượng bị trải ra hoặc phản xạ ra mọi hướng Trong môi trường thành phố, các vật thể như cột đèn, cột báo hiệu và tán lá thường là nguyên nhân gây ra hiện tượng tán xạ này.
2.1.2 Suy hao trong hệ thống FSO
Bức xạ mặt trời làm nóng không khí gần bề mặt Trái Đất, tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ với không khí ở độ cao hơn Lớp khí nóng này bốc lên và hòa trộn với không khí lạnh, dẫn đến sự thay đổi nhiệt độ ngẫu nhiên Sự không đồng nhất do nhiễu loạn tạo ra các xoáy lốc với nhiệt độ khác nhau, hoạt động như lăng kính khúc xạ Sự tương tác giữa búp sóng laser và môi trường nhiễu loạn làm thay đổi pha và biên độ của búp sóng quang, từ đó làm suy giảm hiệu năng của liên kết FSO.
Khi búp sóng laser di chuyển qua khí quyển, sự phân bố ngẫu nhiên của chỉ số khúc xạ mà nó gặp phải sẽ tạo ra nhiều tác động khác nhau Những tác động này có thể ảnh hưởng đến độ chính xác và chất lượng của tín hiệu laser.
- Cường độ thăng giáng quan sát được tại một bộ tách quang đặt tại cuối đường truyền Hiện tượng này được gọi là sự nhấp nháy (scintillation)
Mức độ thay đổi của sự thăng giáng liên quan đến kích cỡ của bộ tách sóng quang và bộ thu quang dùng để điều khiển ánh sáng được tập hợp tới bộ tách Hiện tượng này được gọi là độ mở trung bình.
Khi một búp sóng Gaussian đối xứng tròn được phát ra từ một bộ phát, độ mạnh của sóng sẽ suy giảm theo khoảng cách và mức độ nhiễu loạn gia tăng Sự thay đổi này diễn ra một cách lũy tiến khi khoảng cách từ bộ phát tăng lên.
(i) Độ lệch của dạng búp sóng phụ thuộc vào thời gian
(ii) Lệch hướng trọng tâm của búp sóng
(iii) Sự tăng lên của độ rộng búp sóng vƣợt quá dự kiến do sự nhiễu xạ
(iv) Sự đứt gãy của búp sóng thành các phần riêng biệt của cường độ sáng có hình dạng và vị trí thay đổi theo thời gian
Gió có thể làm dịch chuyển không khí, ảnh hưởng đến chùm tia laser nhưng không gây ra sự nhiễu loạn ngẫu nhiên Sự không đồng nhất của nhiệt độ tạo ra các xoáy lốc và túi khí với kích thước từ 0,1 cm đến 10 m, dẫn đến sự thay đổi nhanh chóng chỉ số khúc xạ và gây ra nhiễu loạn Những túi khí này hoạt động như những thấu kính có đặc tính thay đổi theo thời gian, làm lệch hướng ánh sáng khi truyền qua Mức độ lệch hướng phụ thuộc vào kích thước chùm sáng và sự không đồng nhất của nhiệt độ, dẫn đến sự thay đổi ngẫu nhiên (fading) về pha hoặc biên độ của ánh sáng Ví dụ điển hình về nhiễu loạn là ánh sáng nhấp nháy của các ngôi sao và ánh sáng mờ ảo ở chân trời vào những ngày nắng nóng.
Nhiễu loạn không khí được phân loại dựa trên sự thay đổi của chỉ số khúc xạ và độ không đồng nhất, với các mô hình phụ thuộc vào khoảng cách truyền dẫn và bức xạ quang trong môi trường khí quyển Các mức độ nhiễu loạn được chia thành yếu, trung bình và mạnh.
Suy hao tín hiệu trong hệ thống truyền dẫn quang không dây (FSO) trong bầu khí quyển là kết quả của quá trình hấp thụ và tán xạ Nồng độ vật chất trong không khí ảnh hưởng đến sự suy hao tín hiệu, biến đổi theo không gian và thời gian, tùy thuộc vào điều kiện thời tiết từng khu vực Đối với một tuyến FSO trên mặt đất, cường độ tín hiệu nhận được tại khoảng cách L từ bộ phát tuân theo quy luật Beer – Lambert, cho thấy mối quan hệ giữa cường độ tín hiệu phát ra và cường độ tín hiệu thu được.
Hệ số suy hao (m -1) và suy hao tổng tại bước sóng được xác định trong bài viết này Suy hao tín hiệu quang trong không khí chủ yếu do sự hiện diện của các phần tử khí và hơi nước trong khí quyển Tổng hệ số suy hao bao gồm hệ số hấp thụ và tán xạ từ hơi nước cùng các phân tử khí, được tính toán theo công thức cụ thể.
Hệ số đầu trong khí quyển bao gồm hệ số hấp thụ và hệ số tán xạ do hơi nước và các phần tử khí Hấp thụ xảy ra khi photon tương tác với các phần tử khí, dẫn đến một số photon bị hấp thụ và chuyển đổi năng lượng thành nhiệt, phụ thuộc vào loại khí và mật độ của chúng Sự hấp thụ này có tính chọn lọc theo bước sóng, tạo ra các vùng trong suốt trong bầu khí quyển, được gọi là cửa sổ truyền Trong FSO, các bước sóng được chọn để tối ưu hóa việc truyền lan trong không khí, làm cho hệ số suy hao chủ yếu bị chi phối bởi tán xạ Tán xạ là hiện tượng phân bố lại góc trường quang mà không thay đổi bước sóng, và ảnh hưởng của nó phụ thuộc vào bán kính của các hạt như sương mù và hơi nước trong quá trình truyền lan Tham số kích cỡ x 0 = 2πλ/r được sử dụng để mô tả hiện tượng này, với x 0 = 1 tương ứng với tán xạ Rayleigh.
Tán xạ Mie xảy ra khi kích thước hạt xấp xỉ với bước sóng ánh sáng, cụ thể là khi 0 < x < 1 Ngược lại, nếu x ≥ 1, tán xạ có thể thuộc loại khác, như tán xạ quang hình học Quá trình tán xạ của các hạt khác nhau trong khí quyển được tóm tắt trong bảng 2.1.
Bảng 2.1: Bán kính và quá trình tán xạ của các hạt tán xạ điển hình có trong không khí tại = 850 nm
Kiểu Bán kính Kích cỡ tham số x 0 Quá trình tán xạ
Hạt sương 1 – 20 7,4 – 147,8 Mie – hình học
Fading trong hệ thống RF
2.2.1 Hiện tượng đa đường (Multipath)
Trong hệ thống thông tin vô tuyến, sóng bức xạ điện từ thường không truyền trực tiếp đến anten thu do sự cản trở từ các vật thể như tòa nhà và cây cối Kết quả là, sóng nhận được là sự chồng chập của các sóng đến từ nhiều hướng khác nhau, hiện tượng này được gọi là truyền sóng đa đường (Multipath propagation) Tín hiệu thu được là tổng hợp của các bản sao tín hiệu phát, nhưng các bản sao này có thể bị suy hao, trễ và dịch pha, ảnh hưởng lẫn nhau Tùy thuộc vào pha của từng thành phần, tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục hoặc bị hỏng hoàn toàn Trong truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo do kênh truyền đa đường, dẫn đến việc nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau, hiện tượng này gọi là phân tán đáp ứng xung (impulse dispersion) Méo do kênh truyền đa đường là tuyến tính và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng.
Hình 2.1:Hiện tượng truyền sóng đa đường
Hiệu ứng Doppler xảy ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu, dẫn đến việc phổ tín hiệu thu được bị lệch so với tần số trung tâm Sự lệch này được gọi là tần số Doppler.
Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là n , khi đó tần số Doppler của tuyến này là:
Trong công thức, f0 là tần số sóng mang của hệ thống, v là vận tốc chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát, và c là vận tốc ánh sáng Khi α = 0, tần số Doppler lớn nhất sẽ đạt giá trị tối đa.
Hình 2.2: Hàm truyền đạt của kênh
Khi tín hiệu đến máy thu từ nhiều hướng khác nhau với cường độ tương đương, phổ tín hiệu sẽ tương ứng với tần số Doppler.
nếu f 0 f D ,max f f 0 f D ,max các trường hợp còn lại
Tùy theo đáp ứng tần số của kênh truyền và băng thông của tín hiệu phát mà ta có:
- Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số
- Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc thời gian a) Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số
Mỗi kênh truyền đều có một khoảng tần số mà trong đó, đáp ứng tần số gần như đồng nhất, được gọi là Coherent Bandwidth Khoảng tần số này được ký hiệu là f0 trong hình 2.3a.
Hình 2.3a: Kênh truyền chọn lọc tần số ( f 0 W)
Kênh truyền được minh họa trong hình 2.3a cho thấy tần số cắt f0 nhỏ hơn nhiều so với băng thông tín hiệu phát Điều này dẫn đến việc một số tần số trong băng tần không thể truyền qua kênh, gây ra sự suy giảm và dịch pha khác nhau cho các thành phần tần số của tín hiệu Dạng kênh truyền này được gọi là kênh truyền chọn lọc tần số.
Hình 2.3b: Kênh truyền chọn lọc tần số ( f 0 >W)
Kênh truyền không chọn lọc tần số, như mô tả trong hình 2.3b, có tần số f0 lớn hơn nhiều so với băng thông tín hiệu phát, dẫn đến mọi thành phần tần số của tín hiệu bị suy giảm và dịch pha gần nhau Điều này khiến cho kênh truyền này được gọi là kênh truyền fading phẳng.
Kênh truyền vô tuyến liên tục biến đổi theo thời gian, dẫn đến sự thay đổi về vị trí và vận tốc của các vật chất trên đường truyền Sự xuất hiện của các vật thể mới và sự mất đi của các vật thể cũ là điều thường xuyên xảy ra Sóng điện từ lan truyền qua các vật thể này, gây ra hiện tượng phản xạ và tán xạ, từ đó làm thay đổi hướng, góc, pha và biên độ của sóng theo thời gian.
Tính chất của kênh truyền được thể hiện qua tham số gọi là thời gian đồng bộ (coherent time), đây là khoảng thời gian mà trong đó đáp ứng của kênh truyền thay đổi rất ít, có thể coi là ổn định trong thời gian.
Khi truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu lớn hơn nhiều so với thời gian đồng bộ, kênh truyền được gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian Ngược lại, nếu chu kỳ ký hiệu nhỏ hơn nhiều so với thời gian đồng bộ, kênh truyền sẽ được gọi là kênh truyền không chọn lọc thời gian hay kênh truyền phẳng về thời gian.
2.2.4 Các mô hình kênh fading cơ bản
Mô hình kênh fading Reyleigh
Trong các kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh được sử dụng để mô tả sự thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phẳng hoặc đường bao của các thành phần đa đường riêng lẻ Đường bao của tổng hai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao cũng tuân theo phân bố Rayleigh, với hàm mật độ xác suất đặc trưng cho phân bố này.
Với σ là giá trị rms (hiệu dụng) của điện thế tín hiệu nhận được trước bộ tách đường bao (evelope detection) σ 2 là công suất trung bình theo thời gian
Xác suất để đường bao của tín hiệu nhận được không vượt qua một giá trị R cho trước được cho bởi hàm phân bố tích lũy:
Giá trị trung bình r mean của phân bố Rayleigh đƣợc cho bởi:
Và phương sai r 2 (công suất thành phần ac của đường bao tín hiệu):
Giá trị hiệu dụng của đường bao là 2 (căn bậc hai của giá trị trung bình bình phương) Giá trị median của r tìm được khi giải phương trình:
Hình 2.4: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh
Giá trị mean và median chỉ chênh lệch 0,55dB trong tín hiệu Rayleigh fading Trong thực tế, giá trị median thường được ưa chuộng vì dữ liệu Rayleigh fading thường không tuân theo phân bố đặc biệt nào Việc sử dụng median thay vì mean giúp dễ dàng so sánh các phân bố fading khác nhau Hình 2.4 minh họa hàm mật độ xác suất Rayleigh.
Mô hình kênh fading Ricean
Trong trường hợp fading Rayleigh, không có thành phần tín hiệu light-of-sight nào đến bộ thu mà không bị phản xạ hay tán xạ Khi có thành phần này, phân bố tín hiệu sẽ chuyển sang phân bố Ricean, với các thành phần đa đường ngẫu nhiên được xếp chồng lên tín hiệu light-of-sight Tại ngõ ra của bộ tách đường bao, điều này tạo ra hiệu ứng như cộng thêm thành phần DC vào các tín hiệu đa đường ngẫu nhiên Sự hiện diện của tín hiệu light-of-sight với công suất vượt trội làm cho phân bố Ricean trở nên rõ ràng hơn Khi thành phần light-of-sight suy yếu, tín hiệu tổng hợp bắt đầu giống như nhiễu theo phân bố Rayleigh Do đó, phân bố trở thành phân bố Rayleigh khi thành phần light-of-sight biến mất.
Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean:
A: Biên độ đỉnh của thành phần light-of-sight
Io: Là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0
Phân bố Ricean được xác định bởi thông số k, đại diện cho tỷ lệ giữa công suất tín hiệu xác định (thành phần ánh sáng trực tiếp) và công suất của các thành phần đa đường.
(2.17) k xác định phân bố Ricean và đƣợc gọi là hệ số Ricean
Khi A tiến gần về 0, hệ số k cũng giảm về 0 (tương đương với -∞ dB), dẫn đến sự suy giảm biên độ của thành phần light-of-sight, và phân bố Ricean chuyển thành phân bố Rayleigh Hình 2.5 minh họa hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean.
Hình 2.5: Hàm mật độ xác suất phân bố Ricean: k =dB (Rayleigh), k = 6 dB.
Nhiễu loạn trong hệ thống FSO
Chùm tia quang khi truyền qua khí quyển chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển, với pha và biên độ biến thiên ngẫu nhiên Nhiễu loạn này xuất phát từ sự thay đổi nhiệt độ trong khí quyển, tạo ra nhiều khu vực dòng xoáy hình cầu với kích thước và chỉ số khúc xạ khác nhau Các chùm tia quang di chuyển qua các không gian và thời gian khác nhau với chiết suất không đồng nhất, dẫn đến hiện tượng khúc xạ làm sai lệch hướng truyền ban đầu Ở quy mô lớn, sự không đồng nhất chủ yếu ảnh hưởng đến pha của sóng, trong khi ở quy mô nhỏ, nó tạo ra hiệu ứng nhiễu xạ, làm biến đổi biên độ sóng và gây ra sự biến thiên của biên độ.
Nhiễu loạn không khí gây ra sự thay đổi ngẫu nhiên của chỉ số khúc xạ không khí dọc theo tuyến đường truyền dẫn bức xạ quang Những thay đổi này phụ thuộc vào áp suất khí quyển, độ cao so với mặt nước biển và tốc độ gió Tỷ lệ trong (l0) và tỷ lệ ngoài (L0) của sự nhiễu loạn tương ứng với mức độ nhỏ nhất và lớn nhất của các xoáy lốc trong không khí, với l0 thường chỉ vài milimet và L0 có thể lên tới vài mét Các xoáy lốc yếu dạng thấu kính tạo ra tác động xuyên nhiễu ngẫu nhiên giữa các vùng khác nhau của búp sóng truyền dẫn, dẫn đến biến dạng hình dạng sóng.
Kênh truyền dẫn quang khác với kênh nhiễu Gauss thông thường ở chỗ tín hiệu đầu vào x(t) thể hiện công suất thay vì biên độ Điều này dẫn đến hai điều kiện ràng buộc quan trọng: tín hiệu x(t) phải không âm và giá trị trung bình của x(t) không được vượt quá một giới hạn quy định.
Trong hệ thống truyền dẫn quang bị ảnh hưởng bởi nhiễu nổ, tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) tỉ lệ với kích thước vùng tách sóng quang (A d), trái ngược với các kênh thông thường, nơi SNR tỉ lệ với công suất Điều này cho thấy, với công suất phát cố định, việc sử dụng bộ tách sóng có vùng tách lớn sẽ giúp cải thiện SNR Tuy nhiên, việc tăng kích thước A d cũng đồng nghĩa với việc điện dung của bộ tách sóng tăng, dẫn đến hạn chế về băng thông.
Kênh truyền quang không dây bao gồm nhiều loại khí, như được nêu trong bảng 2.3, cùng với các yếu tố khác như mưa, sương mù và hơi nước Lượng hơi nước trong kênh truyền phụ thuộc vào vị trí địa lý (kinh độ, vĩ độ) và mùa Tầng đối lưu gần bề mặt trái đất có sự tập trung hơi nước lớn nhất.
Khi ánh sáng đi qua khí quyển, nó sẽ bị tán xạ hoặc hấp thụ do sự phân bố kích thước của các dải thành phần khí quyển, từ micromet đến centimet, dẫn đến hiện tượng suy hao.
Bảng 2.3: Các phần tử khí có trong kênh truyền
Thành phần Tỷ lệ thể tích ( ) Phần triệu (ppm)
Lỗi định hướng, hay còn gọi là sự lệch hướng, là tổng độ dịch chuyển giữa tâm chùm tia và tâm khẩu độ thu Sự lệch hướng này được chia thành hai yếu tố chính: sự lệch hướng cố định và sự lệch hướng ngẫu nhiên.
Trong hệ thống truyền dẫn FSO, độ chính xác định hướng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất và độ tin cậy của đường truyền Tuy nhiên, các yếu tố như gió và sự giãn nở do nhiệt độ có thể gây ra rung lắc cho tòa nhà, dẫn đến lệch hướng và hiện tượng fading tín hiệu ở phía thu Một mô hình thống kê mới đã được phát triển để xác định sự lệch hướng, bao gồm các yếu tố như kích thước khẩu độ thu, độ rộng chùm tia và phương sai jitter.
Mô hình lệch hướng của chùm tia Gauss cho thấy sự phân bố chuẩn hóa theo không gian của cường độ tín hiệu phát ra tại khoảng cách z từ bộ phát.
Độ rộng búp quang z của búp sóng Gauss trong điều kiện nhiễu loạn không khí có thể được xấp xỉ thông qua vec tơ bán kính từ tâm chùm tia và độ rộng búp quang tại khoảng cách z.
Với 0 là độ rộng búp quang tại z = 0, 1 2 0 2 / 0 2 ( ) z và
là độ dài kết hợp
Với khẩu độ thu có bán kính a và tham số chùm tia Gauss tại phía thu I beam, sự suy hao do giãn rộng hình học với độ lệch r được xác định như trong hình 2.6.
Với hp ký hiệu cho tỷ lệ công suất thu đƣợc bởi bộ thu và A là diện tích vùng thu
Khi độ lệch tâm r xuất hiện, hàm h phụ thuộc vào độ lệch tâm và góc, nhưng do tính đối xứng của búp quang và vùng thu, kết quả h chỉ phụ thuộc vào độ lệch tâm r Vì vậy, có thể giả sử độ lệch tâm dọc theo trục x’ Tỷ lệ công suất thu được tại bộ thu với bán kính vùng thu a trong mặt phẳng nằm ngang có thể được xác định như sau:
Phép tích phân trong (2.22) có thể được xấp xỉ bằng một tích phân trong một tiết diện vuông với chiều dài cạnh a, có diện tích tương đương với vùng thu Do đó, phương trình (2.22) có thể được tính xấp xỉ.
0 er ( ) 2 / x u f x e du là hàm lỗi Bằng cách mở rộng điều kiện theo quy luật hàm mũ tới chuỗi Taylor, tích phân hóa và rút gọn kết quả ta đƣợc:
Hơn nữa, (2.24) có thể sắp xếp lại đối với l và được viết dưới dạng:
thực hiện rút gọn ta đƣợc :
. Xấp xỉ theo dạng Gauss ta đƣợc :
Bảng 2.4: Giá trị NMSE giữa giá trị chính xác và xấp xỉ của h p
Chú ý rằng A 0 là tỷ số của công suất tại r = 0, và z eq
Độ rộng chùm tia tương đương được xác định bởi sai lỗi bình phương trung bình chuẩn hóa (NMSE) giữa biểu thức chính xác và biểu thức xấp xỉ cho h p như trình bày trong bảng 2.4, với nhiều giá trị khác nhau của z /a Phép xấp xỉ được đề xuất cho thấy tính hợp lý với giá trị chính xác khi z /a > 6, ví dụ với NMSE < 10^-3 Để liên kết các công thức trong chương này với các nghiên cứu trước, giả sử rằng ωz >> a xác định biểu thức giới hạn đối với h p là z a.
Các phân bố Gauss độc lập giống nhau cho sự nhô lên và dịch chuyển theo chiều ngang đã được đánh giá trước đó Độ lệch theo bán kính r tại bộ thu được mô hình hóa bởi phân bố Rayleigh.
(2.30) trong đó s 2 là phương sai jitter tại phía thu Ta có phân bố xác suất của h p là
Kết luận chương 2
Chương 2 đã giới thiệu khái niệm và mô hình phân tích các tham số đường truyền FSO và RF FSO bao gồm các yếu tố như suy hao đường truyền, nhiễu loạn không khí (yếu và mạnh) và sự lệch hướng, trong khi RF tập trung vào suy hao kênh truyền và hiện tượng fading Dựa trên mô hình kênh đã trình bày, chương 3 sẽ phân tích và đánh giá hiệu năng của hệ thống lai ghép RF/FSO dưới tác động của nhiễu loạn và lệch hướng.