Nghiên cứu đặc tính của hệ thống truy cập quang vô tuyến MMW:RoF sử dụng EDFA và máy thu tách sóng trực tiếp (DD)

Giới thiệu chương

Trong những năm gần đây, nhu cầu về thông tin di động băng thông rộng thế hệ mới đã gia tăng đáng kể Dự báo toàn cầu cho thấy lưu lượng dữ liệu di động sẽ tăng gấp 7 lần trong thời gian tới.

Từ năm 2017 đến 2022, lưu lượng dữ liệu toàn cầu đã tăng trưởng 46%, đạt 77,5 exabyte mỗi tháng, trong đó lưu lượng từ thiết bị không dây và di động chiếm 71% tổng lưu lượng IP Hệ thống thông tin di động hiện tại như 3G và 4G sử dụng sóng mang vô tuyến tần số thấp, dẫn đến tốc độ truyền tải chậm và băng thông hạn chế Để đáp ứng nhu cầu thông tin di động thế hệ mới với đa dịch vụ băng rộng, công nghệ 5G và các thế hệ sau đang chuyển sang sử dụng sóng milimet (MMW) với tần số từ 30GHz đến 300GHz, cho phép truyền tải tín hiệu với băng tần rộng và tốc độ cao.

Công nghệ tương lai chủ yếu sử dụng dải bước sóng Milimet (MMW) như băng tần Ka, V, W, Q, E và D để tối ưu hóa hiệu quả sử dụng phổ tần với kích thước anten nhỏ và độ khả dụng phổ tần lớn Tuy nhiên, tần số cao trong dải bước sóng này dẫn đến tổn hao tín hiệu lớn trong không gian tự do và khí quyển, hạn chế khoảng cách truyền dẫn vô tuyến Hệ thống thông tin quang-vô tuyến MMW/RoF, còn được gọi là hệ thống truyền dẫn di động, đang được nghiên cứu để truyền tín hiệu di động giữa các trạm.

Chương này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quát về kỹ thuật truyền sóng vô tuyến qua sợi quang, bao gồm các nội dung cơ bản liên quan đến công nghệ này.

Khái niệm về kỹ thuật MMW/RoF

Các thành phần cơ bản của tuyến MMW/RoF.

Hệ thống truyền sóng vô tuyến qua sợi quang MMW/RoF

Những ưu điểm và khuyết điểm của kỹ thuật MMW/RoF.

Ứng dụng của kỹ thuật RoF.

Các kỹ thuật điều chế và tách sóng trong hệ thống MMW/RoF.

Khái niệm về kỹ thuật truyền sóng vô tuyến trên sợi quang RoF

Hình 1.1 Mô hình của một hệ thống RoF tiêu biểu

Hệ thống MMW/RoF tiêu biểu bao gồm thiết bị đầu cuối di động (MH), trạm gốc (BS) và trạm điều khiển trung tâm (CS) Trạm gốc (BS) có nhiệm vụ phát sóng vô tuyến từ CS đến các MH và nhận sóng vô tuyến từ MH gửi về CS BS không xử lý tín hiệu mà chỉ chuyển đổi giữa các thành phần điện và quang để giao tiếp với CS Số lượng BS cần thiết để phủ sóng một khu vực phụ thuộc vào bán kính phục vụ của mỗi BS, do đó trong kiến trúc mạng RoF, BS cần được thiết kế đơn giản.

Mặc dù công nghệ truyền tín hiệu vô tuyến qua sợi quang đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như mạng truyền hình cáp và trạm gốc truyền hình vệ tinh, nhưng thuật ngữ RoF thường được sử dụng chủ yếu cho các ứng dụng truy cập không dây.

 Các đặc điểm quan trọng của mạng RoF:

Các chức năng điều khiển như ấn định kênh, điều chế và giải điều chế được tập trung tại CS, giúp đơn giản hóa cấu trúc của BS BS chủ yếu thực hiện các nhiệm vụ chuyển đổi quang/điện, khuếch đại RF và chuyển đổi điện quang.

Kiến trúc mạng tập trung mang lại khả năng cấu hình tài nguyên và cấp băng thông động, giúp sử dụng băng thông một cách hiệu quả hơn Bên cạnh đó, tính chất tập trung của kiến trúc này cũng giúp đơn giản hóa quá trình nâng cấp và quản lý mạng.

- Do cấu trúc BS đơn giản nên sự ổn định cao hơn và quản lý số BS trở nên đơn giản, ngoại trừ số lượng lớn.

Kỹ thuật RoF (Radio over Fiber) đặc biệt cho phép triển khai các giao diện và giao thức vô tuyến, giúp mạng có khả năng cung cấp nhiều dịch vụ đồng thời một cách hiệu quả.

- Nếu khắc phục các nhược điểm trong RoF thì một CS có thể phục vụ được các BS ở rất xa, tăng bán kính phục vụ của CS.

Các thành phần cơ bản của tuyến RoF

Hình 1.2 Mô hình hệ thống RoF điển hình

 Hình 1.2 mô tả một hệ thống RoF điển hình, bao gồm:

Mobile Host (MH) là các thiết bị di động trong mạng, đóng vai trò thiết bị đầu cuối Các MH bao gồm điện thoại di động, laptop tích hợp chức năng, PDA và các thiết bị chuyên dụng khác có khả năng truy cập mạng không dây.

Trạm gốc (Base Station - BS) có nhiệm vụ phát sóng vô tuyến từ trung tâm điều khiển (CS) đến các máy thu (MH) và ngược lại Mỗi BS phục vụ một microcell và không thực hiện xử lý tín hiệu, mà chỉ chuyển đổi giữa các thành phần điện/quang Hai thành phần quan trọng của BS là ăng-ten và bộ chuyển đổi quang điện ở tần số RF Bán kính phục vụ của BS rất nhỏ, thường chỉ vài trăm mét hoặc thậm chí vài chục mét, phục vụ từ vài chục đến vài trăm MH Trong kiến trúc mạng RoF, BS được thiết kế đơn giản do không có thành phần xử lý tín hiệu.

Trạm xử lý trung tâm (CS) là thành phần quan trọng nhất trong mạng RoF, có khả năng phục vụ hàng ngàn bộ phát sóng (BS) ở khoảng cách hàng chục km nhờ vào kỹ thuật RoF Với kiến trúc mạng tập trung, tất cả các chức năng như định tuyến và cấp phát kênh đều được thực hiện và chia sẻ tại CS CS cũng được kết nối với các tổng đài và server khác, tương tự như vai trò của tổng đài trong mạng điện thoại.

Sợi quang là phương tiện truyền tải thông tin giữa các trạm cơ sở (CS) và bộ phát sóng (BS) dưới dạng ánh sáng, thông qua hiện tượng phản xạ toàn phần trong sợi quang Để giảm thiểu suy hao do tán sắc mode và suy hao trên sợi quang, sợi đơn mode thường được ưu tiên sử dụng, với mức suy hao khoảng 0.2 – 0.24 dB/km tại bước sóng 1550 nm.

Đơn vị truy cập từ xa (RAU) thực hiện các chức năng cơ bản như chuyển đổi quang điện, khuếch đại và lọc, giúp đơn giản hóa cấu trúc và giảm chi phí thiết bị Hệ thống RoF được phân loại thành ba loại chính dựa trên dải tần số vô tuyến: Truyền dẫn tín hiệu băng tần cơ sở (BBoF), truyền dẫn tín hiệu vô tuyến trung tần qua sợi quang (IFoF) và truyền dẫn trực tiếp tín hiệu RF qua sợi quang (RoF).

- Một tuyến quang nối giữa BS và CS nhằm truyền dẫn tín hiệu giữa chúng với nhau.

Những ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật RoF

Ưu điểm

Trong không gian tự do, suy hao tín hiệu do hấp thụ và bức xạ gia tăng theo tần số, đặc biệt là ở băng tần mm, dẫn đến việc cần thiết phải sử dụng thiết bị tái sinh đắt tiền cho truyền dẫn khoảng cách lớn Tuy nhiên, cáp quang mang lại suy hao tín hiệu rất thấp, và kỹ thuật RoF nổi bật với khả năng cung cấp đường truyền nhiễu thấp ở băng tần milimet (mm) cùng với việc sử dụng các thiết bị thu phát đơn giản tại các trạm gốc (Base Station - BS).

Sợi quang đơn mode (SMF) cho phép truyền dẫn với mức suy hao dưới 0,2 dB/km ở tần số 1550 nm và 0,5 dB/km ở tần số 1310 nm Trong khi đó, sợi quang làm bằng chất dẻo (POFs) mới được công bố có mức suy hao từ 10 đến 40 dB/km trong dải tần số 500 – 1300 nm, cho thấy hiệu suất truyền dẫn vượt trội so với cáp đồng trục trước đây, với suy hao hơn 500 dB/km ở tần số 5 GHz.

Sợi quang cung cấp băng thông lớn với ba cửa sổ tần số 850 nm, 1310 nm và 1550 nm, giúp đạt được băng thông tối đa lên đến 50 THz đối với sợi đơn mode (SMF) Băng thông rộng này cho phép xử lý tín hiệu tốc độ cao và dễ dàng tích hợp các công nghệ như OTDM (Optical Time Division Multiplexing) và DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), điều mà hệ thống điện tử gặp nhiều khó khăn khi thực hiện.

 Không chịu ảnh hưởng của nhiễu cao tần

Truyền thông sợi quang có khả năng miễn dịch với nhiễu điện từ, đặc biệt là trong truyền sóng băng tần milimet, mang lại nhiều lợi ích đáng kể Ưu điểm này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao bảo mật và an ninh quốc phòng.

 Dễ dàng lắp đặt và bảo trì

Trong hệ thống RoF, thiết bị phức tạp và đắt tiền được đặt tại đầu cuối và trạm trung tâm, trong khi thiết bị tại các trạm gốc lại đơn giản hơn Các yêu cầu quan trọng đối với hệ thống truyền dẫn băng tần milimet bao gồm dễ dàng lắp đặt, bảo trì và giá thành thấp.

 Công suất tiêu thụ thấp

Việc đơn giản hóa các trạm phát cơ sở (BS) đã giúp giảm tiêu thụ năng lượng đáng kể Hầu hết các thiết bị phức tạp hiện nay đều tập trung ở đơn vị xử lý trung tâm (CS) Đặc biệt, một số trạm phát cơ sở hoạt động ở chế độ thụ động, tiêu thụ năng lượng rất thấp và không phụ thuộc vào lưới điện.

Nhược điểm

 Tín hiệu truyền đi là tín hiệu tương tự:

Hệ thống RoF tương tự (ARoF) là một phương pháp truyền dẫn tương tự, liên quan đến điều chế và tách sóng ánh sáng, nhưng bị ảnh hưởng bởi nhiễu và méo, hạn chế hiệu suất của các hệ thống thông tin tương tự và MMW/RoF Những ảnh hưởng này làm giảm hệ số nhiễu (NF) và dải động (DR) của tuyến RoF Để khắc phục những nhược điểm này và nâng cao chất lượng hệ thống trong tương lai, nghiên cứu và triển khai hệ thống RoF số (DRoF) là cần thiết.

- Dễ bị tác động bởi nhiễu:

Tạp âm trong đường truyền sợi quang bao gồm các yếu tố như tạp âm cường độ tương đối của laser, nhiễu pha laser, nhiễu từ bộ tách sóng quang và nhiễu nhiệt từ bộ khuếch đại.

Méo dạng trong hệ thống RoF chủ yếu xuất phát từ quá trình điều chế phi tuyến và tán sắc của sợi, ảnh hưởng đến khoảng cách truyền dẫn Đối với sợi đơn mode SMF, tán sắc màu là nguyên nhân chính gây nhiễu pha sóng mang RF, trong khi đó, sợi đa mode MMF chịu tác động nghiêm trọng từ tán sắc mode, hạn chế băng tần và khoảng cách truyền Để giảm thiểu méo dạng, các kỹ thuật bù có thể được áp dụng tại bộ phát để tuyến tính hóa đặc tính điều chế hoặc tại bộ thu thông qua ước tính kênh và cân bằng.

Ứng dụng của kỹ thuật RoF

Kỹ thuật RoF (Radio over Fiber) có nhiều ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực truyền thông, bao gồm truyền thông vệ tinh, di động, truy cập băng rộng, hệ thống di động băng rộng và mạng LAN không dây Ví dụ, các hệ thống sử dụng công nghệ RoF có thể phân phối tín hiệu vô tuyến cho cả hệ thống thông tin số liệu và di động trong các tòa nhà.

Hình 1.3 Ứng dụng RoF trong các tòa nhà tích hợp hệ thống có dây và không dây.

Hệ thống RoF hoạt động như một hệ thống anten phân tán, đặc biệt hữu ích cho các ứng dụng tần số cao như mạng cá nhân WPAN, nhờ vào khả năng giảm tổn hao khi tín hiệu đi qua tường Cơ sở hạ tầng sợi quang trong các tòa nhà có thể hỗ trợ cả ứng dụng hữu tuyến và vô tuyến, như thể hiện trong hình 1.8 Việc sử dụng sợi đa mode MMF hoặc sợi chất dẻo POF thay cho sợi đơn mode SMF giúp giảm chi phí lắp đặt và bảo trì, đặc biệt là trong các ứng dụng trong nhà.

Hệ thống RoF có nhiều ứng dụng hiện tại và tương lai, đặc biệt trong việc điều khiển công suất máy phát cho các máy di động UMTS Điều này đảm bảo rằng mức công suất thu được tại các trạm phát sóng (BS) là đồng đều Nhờ đó, các hệ thống phân phối RoF có thể cung cấp tín hiệu UMTS hiệu quả cả trong nhà lẫn ngoài trời.

Công nghệ RoF được ứng dụng trong các hệ thống truy cập vô tuyến cố định như WiMAX, cho phép truyền tín hiệu quang qua khoảng cách xa Điều này giúp đưa các RAU được đơn giản hóa gần hơn với người dùng, từ đó nâng cao khả năng truy cập băng rộng tới thuê bao một cách hiệu quả về chi phí.

Hệ thống RoF hoạt động như một anten phân tán, đặc biệt hữu ích cho các ứng dụng tần số cao như mạng cá nhân WPAN, nhờ vào kích cỡ tế bào nhỏ và khả năng giảm thiểu tổn hao khi tín hiệu đi qua tường Cơ sở hạ tầng sợi quang trong các tòa nhà có thể hỗ trợ cả ứng dụng hữu tuyến và vô tuyến, như minh họa trong hình 1.5 Việc sử dụng sợi đa mode MMF hoặc sợi chất dẻo POF thay vì sợi đơn mode SMF không chỉ giúp giảm chi phí lắp đặt mà còn tiết kiệm chi phí bảo trì, đặc biệt trong các ứng dụng trong nhà.

Hệ thống RoF có nhiều ứng dụng hiện tại và tương lai, đặc biệt trong việc điều khiển công suất máy phát cho các máy di động UMTS Điều này đảm bảo rằng các mức công suất thu được tại trạm phát sóng (BS) là đồng đều, cho phép hệ thống phân phối RoF truyền tín hiệu UMTS hiệu quả cả trong nhà lẫn ngoài trời.

Các kỹ thuật điều chế và tách sóng trong hệ thống RoF

Kỹ thuật điều chế tại đầu phát

1.6.1.1 Kỹ thuật điều chế trực tiếp (Direct Modulation – DM)

Hình 1.4 Kỹ thuật điều chế trực tiếp

Kỹ thuật điều chế trực tiếp, như minh họa trong hình 1.4, cho phép tín hiệu dòng điều khiển được đưa vào laser điều chế quang trực tiếp (Direct Modulation - DM) với giá trị biến thiên theo dữ liệu phát đi.

Kỹ thuật điều chế trực tiếp mang lại nhiều ưu điểm như tính đơn giản và chi phí thấp, được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin quang hiện nay Việc sử dụng sợi tán sắc thấp giúp hệ thống hoạt động một cách tuyến tính Tuy nhiên, kỹ thuật này cũng có nhược điểm là khả năng đáp ứng tần số của laser bị giới hạn, với tần số hoạt động chỉ khoảng 10GHz Mặc dù có một số loại laser có thể đạt tần số lên đến 40GHz, nhưng chúng thường có giá thành cao và không phổ biến trên thị trường.

1.6.1.2 Kỹ thuật điều chế ngoài (External Modulation)

Hình 1.5 Kỹ thuật điều chế ngoài

Kỹ thuật điều chế ngoài sử dụng sóng laser với tín hiệu liên tục (Continuous Wave - CW) để phát ra ánh sáng có năng lượng ổn định Bộ điều biến hoạt động như một công tắc, cho phép ánh sáng đi qua theo tín hiệu điều chế mang thông tin Laser không trực tiếp tham gia vào quá trình điều chế, mà thông qua bộ điều chế quang học bên ngoài với tốc độ bit cao, giúp chuyển đổi tín hiệu giữa hai trạng thái (mở và đóng) một cách nhanh chóng, đảm bảo hiệu suất hoạt động ở tốc độ bit mong muốn.

Để đảm bảo cường độ laser ổn định trong bộ điều chế ngoài, cần thiết phải có một nguồn laser rất ổn định Việc thêm vòng hồi tiếp với photodiode giúp duy trì sự ổn định của cường độ laser và giảm thiểu hiện tượng chirp Tuy nhiên, sự hiện diện của vòng hồi tiếp cũng làm giảm hiệu suất làm việc của laser do một phần năng lượng bị sử dụng cho quá trình điều khiển hồi tiếp.

Trong kỹ thuật điều chế ngoài, hai loại bộ điều chế thường được sử dụng trong hệ thống thông tin quang là bộ điều chế Mach Zender và bộ điều chế bức xạ electron Bộ điều chế Mach Zender hoạt động dựa trên sự thay đổi chỉ số khúc xạ của các tinh thể khi có điện trường bên ngoài tác động Trong khi đó, bộ điều chế bức xạ electron dựa vào sự thay đổi khả năng hấp thụ của vật liệu bán dẫn dưới sự điều khiển của điện trường ngoài.

Kỹ thuật tách sóng tại đầu thu

Tại máy thu thì tín hiệu RF sẽ được khôi phục khi tín hiệu quang được tách sóng.

Có 2 phương pháp tách sóng quang, đó là tách sóng trực tiếp và tách sóng Coherence

1.6.2.1 Kỹ thuật tách sóng trực tiếp

Hình 1.6 Kỹ thuật tách sóng trực tiếp

Tín hiệu quang được phát đi từ nguồn phát và được thu nhận bởi bộ thu quang thông qua photodiode Photodiode (O/E) chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện bằng cách tách sóng theo luật bình phương, biến đổi công suất quang thành dòng điện ở đầu ra.

Tín hiệu tại máy thu quang được tách ra trực tiếp thành tín hiệu điện RF mà không cần xử lý hay biến đổi Phương pháp tách sóng trực tiếp liên quan đến hệ thống IM-DD, nơi cường độ ánh sáng được điều chế trực tiếp theo tín hiệu RF Sau khi truyền qua sợi quang, tín hiệu RF được khôi phục và tách sóng tại bộ tách sóng quang Để tăng biên độ điện áp trước khi kích thích anten, dòng quang điện phải đi qua bộ khuếch đại phối hợp trở kháng.

TRUY CẬP DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI

Giới thiệu chương

Để đáp ứng nhu cầu tăng trưởng lưu lượng dữ liệu di động lên đến 1000 lần trước năm 2020, mạng 5G thế hệ tiếp theo đã được triển khai nhằm cung cấp tốc độ dữ liệu cao và dung lượng mạng lớn Nhiều tổ chức công nghệ và nhà khai thác mạng như ITU-R, 3GPP, EU’s METIS, 5G PPP và Small Cell Forum đã được thành lập để định nghĩa và phát triển tiêu chuẩn 5G.

Sơ lược về mạng 5G

Mạng di động 5G, hay thế hệ thứ 5 của công nghệ truyền thông, đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của ngành công nghiệp IoT Với tốc độ nhanh hơn khoảng 100 lần so với mạng 4G, 5G không chỉ đáp ứng các yêu cầu khắt khe mà còn mang lại khả năng giao tiếp mới và hấp dẫn Sự ra đời của 5G mở ra nhiều cơ hội cho các thiết bị và hệ thống mạng, tạo nền tảng cho sự phát triển bền vững của công nghệ trong tương lai.

Hình 2.1 Với 5G, tốc độ mạng có thể lên đến 20Gbps

Các yêu cầu trong thế hệ mạng 5G

Các ứng dụng hỗ trợ bởi công nghệ truyền thông không dây 5G như IoT, D2D và M2M đều đòi hỏi tốc độ cao, độ tin cậy cao và độ trễ thấp Do đó, mạng di động 5G cần đáp ứng một số yêu cầu quan trọng để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho các ứng dụng này.

- Tốc độ phát nhanh hơn và tốc độ dữ liệu người dùng cao hơn.

Các trạm phát sóng cần đạt tốc độ tối thiểu 20 Gbps cho tải xuống và 10 Gbps cho tải lên, đây là tổng băng thông mà một cell có thể xử lý Người dùng băng thông rộng không dây cố định có khả năng đạt gần tốc độ này với 5G, đặc biệt khi có kết nối point-to-point riêng Tuy nhiên, thực tế, dung lượng 20 Gbps sẽ được chia sẻ giữa các người dùng trong khu vực phủ sóng của cell đó.

Các trạm phát sóng 5G cần hỗ trợ tối thiểu một triệu thiết bị kết nối trong mỗi kilomet vuông, chủ yếu là các thiết bị Internet of Things (IoT) Mật độ kết nối này trở nên cần thiết khi mọi đèn giao thông, bãi đậu xe và phương tiện đều được kết nối mạng.

- Tốc độ di chuyển trong 5G.

Giống như LTE và LTE-Advanced, các trạm phát sóng 5G có khả năng cung cấp truy cập mạng cho mọi phương tiện di chuyển, với tốc độ từ 0 km/h trở lên.

“phương tiện tốc độ cao tới 500 km/h”.

Trong các khu vực đô thị đông dân, người dùng thường không phải lo lắng về tốc độ di chuyển Tuy nhiên, tại các khu vực ngoại ô, việc cung cấp hỗ trợ để người dùng có thể di chuyển với tốc độ cao là vô cùng cần thiết.

- Hiệu quả năng lượng của 5G.

Giao diện vô tuyến 5G được thiết kế với mức tiêu thụ năng lượng hiệu quả khi đang tải, và nhanh chóng chuyển về chế độ tiết kiệm năng lượng khi không sử dụng Bộ kiểm soát độ trễ được tối ưu hóa ở mức 10ms, cho phép thiết bị 5G chuyển đổi từ trạng thái tốc độ cao sang chế độ tiết kiệm năng lượng chỉ trong vòng 10ms.

Trong điều kiện lý tưởng, mạng 5G cung cấp độ trễ tối đa chỉ 4ms, thấp hơn nhiều so với 20ms của mạng LTE Đặc biệt, 5G còn cho phép độ trễ giảm xuống chỉ còn 1ms, mang lại khả năng truyền tin siêu ổn định và độ trễ cực thấp.

Thông số này cho biết số lượng bit truyền qua không khí trên mỗi Hertz băng tần, với tiêu chuẩn 5G gần giống như LTE-Advanced, đạt 30 bit/Hz cho đường tải xuống và 15 bit/Hz cho đường tải lên, dựa trên cấu hình MIMO 8x4 Để đáp ứng các yêu cầu này, nhiều công nghệ và kỹ thuật đã được áp dụng.

Hình 2.2 Một số ứng dụng và công nghệ sử dụng trong mạng 5G

Băng tần sử dụng trong 5G

Mạng 5G sẽ sử dụng sóng milimét (Millimetre wave) trong dải tần số cao từ 30 GHz đến 300 GHz, với bước sóng từ 1 đến 10mm Mặc dù sóng milimét có khả năng truyền tải dữ liệu lớn với tốc độ cao, nhưng chúng không thể đi xa như sóng tần số thấp của mạng 4G và khả năng xuyên tường cũng kém hơn Do đó, để đảm bảo độ phủ sóng tương đương mạng hiện tại, các nhà mạng sẽ cần sử dụng nhiều anten hơn.

Mạng di động hiện nay đang đối mặt với thách thức lớn khi số lượng người dùng tăng lên, trong khi các thiết bị ngày càng tiêu tốn nhiều dữ liệu hơn, nhưng lại sử dụng chung một phổ tần số vô tuyến Điều này dẫn đến tình trạng hạn chế băng tần, làm giảm tốc độ mạng và gây ra hiện tượng rớt kết nối.

Để giải quyết vấn đề này, cần truyền sóng di động trên một phổ tần hoàn toàn mới, chưa từng được sử dụng cho thông tin di động Do đó, các nhà mạng đã chuyển sang sử dụng sóng ngắn cỡ mm với tần số cao hơn các tần số di động trước đây.

Hiện tại, chỉ có vệ tinh và các hệ thống radar sử dụng sóng mm trong thực tế Sóng mm gặp bất lợi vì khó xuyên qua tòa nhà và chướng ngại vật, đồng thời dễ bị hấp thụ bởi cây cối và mưa Do đó, mạng 5G áp dụng công nghệ mới với các trạm cell nhỏ để khắc phục những hạn chế này.

Trạm cell nhỏ (Small cell)

Trạm cell nhỏ là phiên bản thu nhỏ của trạm gốc, tiêu thụ ít năng lượng và có thể được bố trí cách nhau chỉ 250 mét trong thành phố Để đảm bảo tín hiệu luôn ổn định, các nhà mạng sẽ lắp đặt hàng nghìn trạm cell nhỏ, tạo thành một mạng lưới dày đặc như đội hình chạy tiếp sức, giúp nhận và truyền tín hiệu đến người dùng ở mọi vị trí.

Small cell trong thế hệ kế tiếp sử dụng sóng milimet, giúp giảm bán kính bao phủ và khoảng cách giữa các trạm phát sóng nhỏ Tuy nhiên, độ bao phủ của công nghệ này sẽ được cải thiện đáng kể và dự kiến đạt 100% nhờ vào việc lắp đặt các trạm phát sóng small cell với mật độ cao.

Mạng 5G yêu cầu cơ sở hạ tầng vượt trội hơn so với mạng lưới cell truyền thống, vốn phụ thuộc vào số lượng trạm gốc Một lợi thế lớn là ăng ten của trạm cell nhỏ có kích thước nhỏ hơn nhiều so với ăng ten truyền thống, cho phép dễ dàng lắp đặt trên cột đèn hoặc sân nóc tòa nhà.

Một trong những thách thức lớn khi triển khai mạng 5G là số lượng trạm cell nhỏ cần thiết, đặc biệt ở các khu vực ngoại ô và vùng sâu vùng xa Điều này làm cho việc phát triển mạng 5G trở nên khó khăn hơn Ngoài việc phát sóng tần số mm, các trạm gốc 5G sẽ được trang bị nhiều ăng ten hơn so với các trạm gốc hiện tại để tận dụng tối đa công nghệ mới.

Công nghệ Small Cell là giải pháp bổ sung cho mạng metro, nhằm nâng cao độ phủ sóng và đáp ứng nhu cầu dung lượng, đồng thời cải thiện trải nghiệm người dùng Small Cell có nhiều hình thức khác nhau, với khoảng cách phủ sóng, công suất và chất lượng đa dạng tùy thuộc vào mục đích sử dụng Đơn vị Small Cell nhỏ nhất thường được áp dụng trong các không gian dân sự như nhà ở và văn phòng, trong khi đơn vị lớn nhất phục vụ cho các khu vực đô thị và metrocell.

Theo SCF, small cell được phân loại thành bốn hình thức: femtocells, picocells, microcell và metrocell, dựa trên công suất đầu ra và bán kính phủ sóng của từng loại.

Hình 2.3 Các mô hình trạm tế bào (Nguồn: Qorvo)

Bảng dưới đây sẽ so sánh giữa các loại Small Cell.

STT Nội dung Femtocell Picocell Microcell Metrocell

1 Độ bao phủ Nhỏ hơn 15m Nhỏ hơn 15m Khoảng vài trăm met 500m-3km

Khu vực triển khai điển hình

Nhà ở, văn phòng cơ quan, toà nhà nhỏ

Khu vực công cộng (trong nhà/ngoài nhà) như sân bay, trạm ga, tàu

Khu vực đô thị để lấp đầy những chỗ trống của mạng vĩ mô

Khu vực đô thị đông đúc, khu vực nông thôn, trong các toà nhà

Hồ trợ người dùng đồng thời

Femtocell dân dụng: 4-8 users.Femtoc ell cho doanh nghiệp: 16-

Cáp, vi ba, Mesh, DSL

Thế hệ di động 5G sử dụng sóng milimet và tần số chưa được cấp phép sẽ được triển khai với công nghệ Small Cell, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp trải nghiệm 5G thực sự Tầm nhìn 5G sẽ kết nối liền mạch giữa các khu vực dân cư, doanh nghiệp, đô thị và nông thôn thông qua các đơn vị small cell từ xa cùng với nhà điều hành mạng Cuộc đua ứng dụng 5G không chỉ diễn ra giữa các tập đoàn công nghệ mà còn giữa các quốc gia.

Xu hướng của công nghệ Small Cell trong kỉ nguyên 5G

Sự gia tăng sử dụng thiết bị đeo và thiết bị thông minh đã làm số lượng người dùng dịch vụ truy cập internet tốc độ cao (Mobile Broadband MBB) tăng từ 3 tỷ năm 2015 lên 6,7 tỷ vào năm 2020 Việc sử dụng video 2K, 4K, HD VoLTE và VR đã khiến dung lượng dữ liệu di động tăng gấp mười lần trung bình mỗi người dùng, với tỷ lệ lên đến 1 Gbps Quá trình đô thị hóa, đặc biệt ở Trung Quốc, Đông Nam Á và Nam Thái Bình Dương, đang gia tăng nhanh chóng, tạo ra nhiều điểm nóng dữ liệu hơn Tại những khu vực này, lưu lượng dữ liệu gấp 3 lần mức trung bình toàn mạng và có thể tăng lên 20 lần ở các địa điểm công cộng như sân vận động thể thao.

Các mạng truyền thông vô tuyến đang chuyển mình hướng tới Internet of Things (IoTs), mở rộng dung lượng mạng để tối ưu hóa tiềm năng hạ tầng Xu hướng này mang đến cơ hội khai thác dịch vụ mới, từ đó gia tăng doanh thu Tuy nhiên, nó cũng đặt ra những thách thức lớn về dung lượng và cấu trúc xây dựng cho các mạng di động tế bào hiện tại.

Xu thế mạng truy nhập vô tuyến hiện tại và sự chuyển sang băng tần milimet

2.6.1 Mạng truy nhập vô tuyến hiện tại

Mạng truy nhập vô tuyến hiện nay được chia thành hai loại chính: mạng di động (như 1G, 2G, 3G, 4G, 5G, WiMax) và mạng cố định (như WiFi) Hai yếu tố quan trọng nhất trong các mạng này là băng thông và tính di động Mạng di động có tính di động cao hơn nhưng băng thông thấp hơn, ví dụ như WiFi có thể đạt tốc độ 108Mbps, trong khi mạng 3G chỉ đạt khoảng 2Mbps Mặc dù WiMax có thể cung cấp tốc độ cao hơn và tính di động tốt, nhưng vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm với các công nghệ tiên tiến Xu hướng hiện nay là nâng cao tính di động và băng thông để phát triển mạng băng thông rộng.

2.6.2 Sự chuyển sang băng tần milimet

Trong những năm gần đây, nhu cầu về thông tin di động băng thông rộng thế hệ mới đã gia tăng mạnh mẽ Dự báo rằng lưu lượng dữ liệu di động toàn cầu sẽ tăng gấp 7 lần trong thời gian tới.

Từ năm 2017 đến 2022, lưu lượng dữ liệu toàn cầu đã tăng trưởng 46%, đạt 77,5 exabyte mỗi tháng, với 71% lưu lượng IP đến từ thiết bị không dây và di động Hệ thống thông tin di động hiện tại như 3G và 4G sử dụng sóng mang vô tuyến ở dải tần thấp, dẫn đến tốc độ truyền tải chậm và băng thông hạn chế Để đáp ứng nhu cầu thông tin di động thế hệ mới với dịch vụ băng rộng, các sóng mang băng tần cao, gọi là sóng milimet (MMW), với dải tần từ 30GHz đến 300GHz, đang được triển khai rộng rãi cho công nghệ 5G và các thế hệ sau.

Hình 2.4 Các công nghệ truy cập vô tuyến ở dải bước sóng Milimet trong thông tin động

Các công nghệ sử dụng dải bước sóng milimet (MMW) như băng tần Ka, V, W, Q, E và D mang lại hiệu quả cao trong việc sử dụng phổ tần, với anten nhỏ và khả năng phổ tần lớn Tuy nhiên, tần số cao trong dải này dẫn đến tổn hao tín hiệu lớn trong không gian và khí quyển, hạn chế khoảng cách truyền dẫn Hệ thống thông tin quang-vô tuyến MMW/RoF (Millimeter Wave Radio-over-Fiber) được nghiên cứu để truyền tín hiệu di động giữa các trạm trung tâm CO và thiết bị RAU, từ đó gửi thông tin đến các đầu cuối vô tuyến như RRHs hoặc điện thoại di động qua kênh MMW Với băng thông rộng của công nghệ quang tử và sợi quang, hệ thống MMW/RoF giúp tăng dung lượng, giảm độ trễ, tiêu thụ năng lượng, chi phí và độ phức tạp của mạng di động, trở thành xu thế ứng dụng trong hệ thống thông tin di động thế hệ mới (5G và sau 5G).

Hình 2.5 Phổ sóng millimet cho mạng di động 5G

Để đạt được băng thông rộng, các công nghệ truy cập vô tuyến hiện nay đang chuyển mình theo kiến trúc mạng di động, nâng cao tính di động cho thiết bị Đồng thời, để cải thiện băng thông, các kỹ thuật truy cập tiên tiến như CDMA và OFDM đang được áp dụng ngày càng nhiều.

 Giảm kích thước các cell lại để tăng số user lên do số lượng trạm thu phát tăng lên theo

 Chuyển sang hoạt động ở băng tần microwave/milimeterwave (mm-wave) để tránh sự chồng lấn phổ với các băng tần sẵn có và mở rộng băng thông hơn nữa.

Hình 2.6: Giao diện đơn giản của mạng 5G dùng bước sóng millimet[6]

Hai xu hướng này có mối liên hệ chặt chẽ với nhau Băng tần mm mang lại nhiều ưu điểm như kích thước anten nhỏ và băng thông lớn Tuy nhiên, tần số mm cũng gặp phải vấn đề lớn là suy hao trong không gian, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất truyền tải Suy hao không gian có thể được biểu diễn bằng một công thức cụ thể.

Trong đó f là tần số tính bằng MHz còn d là khoảng cách tính bằng km.

Khi tần số tăng lên, bán kính phủ sóng của trạm thu phát sẽ giảm tương ứng Đặc biệt, ở băng tần mm từ 26GHz đến 100GHz, mức suy hao tín hiệu rất lớn Đối với băng tần 60GHz, mục tiêu là mỗi trạm thu phát (Base Station) phục vụ trong bán kính 300m, được gọi là microcell Nếu tính toán cho một bán kính phục vụ 10km, ta sẽ cần xác định số lượng trạm thu phát cần thiết để đảm bảo kết nối ổn định trong khu vực này.

 Diện tích mỗi microcell sẽ là S micocell ≈ πr 2 =π ×30 0 2 ≈300.000m 2

 Diện tích vùng phủ sóng sẽ là S=π ×1000 0 2 00.000.000m 2

 Số lượng microcell sẽ là n00 tr m ạ

- Số lượng microcell này sẽ tăng nhanh hơn nữa nếu bán kính tăng (tỉ lệ thuận với bình phương bán kính).

Với số lượng trạm phát sóng (BS) lớn, việc giảm giá thành cho mỗi BS trở thành một thách thức kinh tế quan trọng Để đạt được điều này, người ta thường áp dụng kiến trúc mạng tập trung, trong đó các chức năng như xử lý tín hiệu, định tuyến và chuyển giao được thực hiện tại trạm trung tâm (CS) Mỗi CS phục vụ nhiều BS, giúp đơn giản hóa cấu trúc của các BS, chỉ cần phát tín hiệu vô tuyến từ CS và chuyển tín hiệu từ thiết bị di động (MH) về CS So với các trạm phát sóng trong mạng di động, BS trong kiến trúc tập trung có chức năng đơn giản hơn, vì chúng không đảm nhiệm các nhiệm vụ xử lý tín hiệu phức tạp như các BTS.

Để kết nối cơ sở (CS) với trạm phát sóng (BS), việc sử dụng sợi quang mang lại nhiều ưu điểm vượt trội như băng thông lớn và suy hao thấp Mỗi sợi quang có khả năng truyền tải dữ liệu với tốc độ lên đến hàng trăm Gbps và khoảng cách lên tới hàng chục km Kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu vô tuyến giữa CS và BS được gọi là kỹ thuật RoF, và mạng truy cập vô tuyến dựa trên kỹ thuật này được gọi là mạng RoF.

Kết luận chương

Chương này đã giới thiệu về mạng thông tin di động 5G, nhấn mạnh những tiềm năng vượt trội như tốc độ tải xuống và tải lên nhanh hơn đáng kể, cùng với chất lượng cuộc gọi video được cải thiện, đặc biệt khi di chuyển Để đạt được những lợi ích này, mạng 5G sẽ áp dụng công nghệ sóng milimet (millimeter wave) và tích hợp kỹ thuật MMW/RoF vào các hệ thống truyền dẫn không dây Qua đó, chúng ta có thể nghiên cứu sâu hơn và khám phá nhiều hướng đi mới để ứng dụng công nghệ này trong thực tiễn.

CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG Ở PHẦN VÔ TUYẾN

Giới thiệu chung

 Chương 3 sẽ tập trung phân tích chi tiết nội dung, thành phần về kênh truyền sóng vô tuyến trong hệ thống MMW/RoF, gồm các phần chính như sau:

- Giới thiệu kênh truyền sóng trong môi trường không gian tự do.

- Các hiện tượng xảy ra trong lan truyền sóng.

- Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng lan truyền sóng trong không gian tự do

- Kênh truyền theo phân bố Rayleigh

- Các khối trong Mobile Host

- Biểu thức tính SNDR và BER dùng trong đường truyền quang - vô tuyến.

Giới thiệu kênh truyền sóng trong môi trường không gian tự do

Chất lượng hệ thống thông tin phụ thuộc vào kênh truyền, nơi tín hiệu di chuyển từ máy phát đến máy thu Kênh truyền hữu tuyến ổn định và dễ dự đoán, trong khi kênh truyền vô tuyến lại ngẫu nhiên và khó phân tích Tín hiệu vô tuyến có thể bị cản trở bởi các vật thể như toà nhà, đồi núi, và cây cối, dẫn đến hiện tượng phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ.

Các hiện tượng xảy ra trong lan truyền sóng

Tất cả sóng điện từ đều trải qua hiện tượng khúc xạ khi chuyển từ môi trường có chỉ số khúc xạ này sang môi trường khác Trong bầu khí quyển, sự biến đổi chỉ số khúc xạ diễn ra một cách từ từ do mật độ không khí giảm đều theo độ cao.

Sự thay đổi chỉ số khúc xạ trong bầu khí quyển ảnh hưởng đến việc uốn cong các sóng trong mặt phẳng thẳng khi chúng di chuyển từ máy phát đến máy thu.

Độ cong của đường truyền sóng vô tuyến thay đổi theo thời gian do sự biến động của nhiệt độ, áp suất và độ ẩm Hiện tượng siêu khúc xạ có thể xảy ra khi không khí lạnh di chuyển qua khu vực nước ấm, dẫn đến sự gia tăng độ ẩm và nhiệt độ gần mặt nước Sự bay hơi của nước làm cho nhiệt độ gần bề mặt thấp, tạo ra dấu hiệu của đáo nhiệt Khi nhiệt độ giảm và độ ẩm tăng, mật độ khí quyển gần mặt đất tăng lên, gây ra sự uốn cong bất thường cho các sóng vô tuyến.

Hiện tượng sóng phản xạ xảy ra khi sóng tiếp cận bề mặt tiếp xúc giữa hai môi trường khác nhau, dẫn đến việc sóng bị đổi hướng và quay trở lại môi trường mà nó đã đi qua.

Nhiễu xạ là hiện tượng sóng uốn cong quanh các vật thể, với mức độ uốn cong tăng lên khi độ dày của vật thể giảm và bước sóng tăng Điều này dẫn đến việc nhiễu xạ sóng vô tuyến lớn hơn nhiều so với nhiễu xạ của ánh sáng khi tương tác với cùng một kích thước vật thể.

Hiện tượng nhiễu xạ xảy ra khi sóng lan truyền qua khe nhỏ hoặc mép vật cản, dẫn đến sự lệch hướng của sóng Sóng sẽ lan tỏa ra mọi phía từ vị trí vật cản và tự giao thoa với các sóng khác cũng phát ra từ vật cản đó.

Biến đổi cường độ tín hiệu sóng mang vô tuyến siêu cao tần xảy ra do sự thay đổi của khí quyển và các phản xạ từ đất và nước trong quá trình truyền sóng.

- Có 2 loại fading chính là:

 Fading phẳng: tác động chủ yếu đến hệ thống viba số dung lượng bé làm suy giảm đều tín hiệu sóng mang đi qua dải tần số.

 Fading lựa chọn tần số: tác động chủ yếu đến hệ thống viba số dung lượng cao.

- Hai nguyên nhân gây ra hiện tượng Fading:

Sóng điện từ di chuyển từ đầu phát đến đầu thu qua nhiều đường khác nhau như đường trực tiếp và đường phản xạ Tín hiệu tại đầu thu là sự tổng hợp của các đường này Khi các tín hiệu cùng pha, biên độ tổng sẽ đạt mức lớn nhất, trong khi nếu các tín hiệu ngược pha, biên độ tổng sẽ giảm, dẫn đến hiện tượng Fading, bao gồm Fading nhiều tia và Fading đa đường.

Khi môi trường truyền sóng có sự thay đổi về chiết suất, sóng điện từ sẽ bị khúc xạ, dẫn đến việc tín hiệu không đến thẳng anten thu Hệ quả là tín hiệu thu bị giảm, hiện tượng này được gọi là Fading (Fading phẳng).

Máy thu sử dụng mạch tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại (AGC) để tối ưu hóa tín hiệu Nguyên tắc hoạt động của AGC là khi tín hiệu vào nhỏ, tín hiệu ra sẽ được hồi tiếp về bộ khuếch đại, dẫn đến việc giảm hệ số khuếch đại ít; ngược lại, khi tín hiệu vào lớn, tín hiệu ra hồi tiếp làm cho hệ số khuếch đại giảm nhiều hơn.

 Sử dụng kỹ thuật phân tập:

 Phân tập anten (phân tập không gian): sử dụng nhiều anten đặt cách xa nhau để thu

 Phân tập tần số: sử dụng nhiều kênh tần số để truyền đi một thông tin.

Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng lan truyền sóng trong không gian tự do

3.4.1 Suy hao trên đường truyền

Sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát đến máy thu là một vấn đề quan trọng, xảy ra do hiện tượng che chắn và suy hao Để khắc phục tình trạng này, có thể áp dụng các phương pháp điều khiển công suất hiệu quả.

3.4.2 Hiện tượng truyền sóng đa đường

Trong hệ thống thông tin vô tuyến, sóng bức xạ điện từ thường không được truyền trực tiếp đến anten thu do sự hiện diện của các vật thể cản trở giữa nơi phát và nơi thu.

Sóng nhận được là kết quả của sự chồng chập giữa các sóng đến từ nhiều hướng khác nhau, do tác động của phản xạ, khúc xạ và tán xạ từ các công trình, cây cối và các vật thể xung quanh Hiện tượng này được biết đến với tên gọi là truyền sóng đa đường (Multipath propagation).

Hiện tượng đa đường gây ra sự tổng hợp của các bản sao tín hiệu phát, dẫn đến tín hiệu thu được bị suy hao, trễ và dịch pha Các bản sao này có thể ảnh hưởng lẫn nhau, và tùy thuộc vào pha của từng thành phần, tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục hoặc bị hư hỏng hoàn toàn.

Khi truyền tín hiệu số, đáp tương ứng xung có thể bị méo do kênh truyền đa đường, dẫn đến hiện tượng phân tán đáp tương ứng xung với các đáp ứng độc lập khác nhau tại nơi thu nhận Sự méo này là tuyến tính và có thể được bù lại bằng các bộ cân bằng ở phía thu.

Hinh 3 1 Hiện tượng truyền sóng đa đường.

3.4.3 Hiệu ứng bóng râm(shadowing)

Do ảnh hưởng của các vật cản như toà nhà cao tầng và đồi núi, biên độ tín hiệu bị suy giảm Hiện tượng này chỉ xảy ra trên khoảng cách lớn và tốc độ biến đổi chậm, nên được gọi là fading chậm.

3.4.4 Kênh truyền phân bố Rayleigh

Trong môi trường truyền sóng RF, đường truyền MMW NLoS được mô hình hóa theo phân bố Rayleigh, phản ánh hiện tượng fading khi tín hiệu không truyền thẳng giữa anten phát và thu Trong kênh truyền fading, tỉ số SNDR trên bit tức thời là một biến ngẫu nhiên có phân bố theo thời gian, với hàm mật độ phân bố xác suất (PDF) được định nghĩa là P γ (γ).

Trong kênh fading Rayleigh, xác suất lỗi bit trung bình (BER) có thể được tính dựa trên SNDR trung bình trên mỗi bit, ký hiệu là 𝛾̅.

 Trong đó P b AWGN (γ)là xác suất lỗi cụ thể sơ đồ điều chế trong kênh AWGN Theo đó ta biểu diễn như sau:

- Đối với QPSK với M = 4, BER có thể được viết lại như sau:

 Trong đó Q (x) biểu thị chức năng Gaussian Q, được đưa ra bởi Craig và được định nghĩa là:

- Từ (3.1), (3.2), (3.4), (3.5), xác suất lỗi bit trong Kênh fading Rayleigh có thể được viết là:

Mô hình liên kết sóng MMW/ROF trong mạng truyền thông di động

Lưu lượng dữ liệu di động đang gia tăng mạnh mẽ nhờ vào sự phát triển nhanh chóng của người dùng thiết bị di động và dịch vụ mạng băng thông rộng thế hệ tiếp theo (NG-BANs), cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn và hiệu suất năng lượng tốt hơn Hiện tại, mạng truy cập kết nối giữa mạng lõi và người dùng chủ yếu sử dụng ba phương tiện vật lý: cáp đồng, sóng vi ba và sợi quang Trong đó, sợi quang là giải pháp lý tưởng cho NG-BANs nhờ vào tốc độ dữ liệu cao và tổn hao thấp Đồng thời, sóng milimet trong băng tần 30GHz – 300GHz có khả năng suy hao nhanh chóng trong môi trường truyền dẫn, do đó, sự kết hợp giữa sợi quang và tuyến truyền dẫn bằng MMW được đánh giá cao Trong mạng truy cập quang không dây, kết nối RoF được sử dụng để liên kết mạng lõi với các anten xa (RAUs), trong khi tuyến MMW có nhiệm vụ phát tín hiệu từ các RAUs đến các anten xa (RRHs) hoặc người dùng.

Hình 3.2 Hệ thống MMW/RoF trong mạng truy nhập di động quang không dây

Các khối trong Mobile Host

Hình 3 3 Khối máy thu (Mobile Host).

Hệ thống máy thu gồm các thành phần chính như bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA) và bộ trộn tần (MIX), giúp khôi phục tín hiệu điều chế từ sóng mang vô tuyến băng tần rộng (MMW: fMMW = f1-f2) Tín hiệu này được lọc và khuếch đại trước khi phát ra không gian đến máy thu di động Sau khi nhận tín hiệu, LNA cải thiện tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR), sau đó tín hiệu vô tuyến được trộn với tín hiệu dao động cùng tần số để chuyển đổi thành tín hiệu QPSK Cuối cùng, tín hiệu QPSK được đưa đến bộ khuếch đại trung tần (MPA) và bộ lọc băng thông (BPF) để phục hồi tín hiệu đã điều chế ban đầu từ phần máy phát.

3.6.1 Bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA)

Bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA) không chỉ có chức năng khuếch đại tín hiệu mà còn nâng cao tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) trước khi tín hiệu được xử lý Hệ số nhiễu (NF) của LNA thường thấp hơn so với NF của các bộ khuếch đại thông thường, giúp cải thiện chất lượng tín hiệu đầu ra.

Bộ trộn tần bao gồm bộ dao động nội và bộ trộn tần, trong đó bộ trộn tần là thiết bị phi tuyến chuyển đổi tần số cao thành tần số trung tần QPSK Bộ dao động nội tạo ra dao động với tần số thay đổi, phù hợp với việc lựa chọn tần số sao cho hiệu số giữa tần số đài phát và tần số dao động nội chính là tần số tín hiệu điều chế QPSK.

3.6.3 Bộ khuếch đại trung tần (MPA)

- Bộ MPA có chức năng khuếch đại tín hiệu trung tần đủ lớn trước khi đưa vào khối giải điều chế để khôi phục tín hiệu QPSK ban đầu

Biểu thức tính SNDR và BER dùng trong đường truyền quang - vô tuyến

Hình 3 4 Sơ đồ khối của kênh truyền sóng vô tuyến trong hệ thống MMW/RoF

Trong phần này, hiệu năng hệ thống được đánh giá thông qua máy thu MS của người dùng Đầu tiên, tỉ số tín hiệu trên méo dạng (SDR) sẽ được tính toán Sau đó, tỉ số tín hiệu trên nhiễu và méo dạng (SDNR) sẽ được xem xét, thể hiện ảnh hưởng của cả nhiễu và méo dạng.

BER được xác định dựa trên mối quan hệ với tỉ số SDNR thông qua hàm sai số bù (erfc) trong trường hợp dữ liệu được điều chế QPSK.

 Trong đó erfc là hàm sai số bù.

Hai sóng mang quang với tần số ánh sáng 𝜔1 và 𝜔2 được điều chế bằng tín hiệu trung tần QPSK với hệ số điều chế m, tạo ra tín hiệu đầu ra của máy phát (CO).

Ps công suất tín hiệu quang ở phần phát được đưa vào sợi, trong đó S(t) là tín hiệu QPSK Tín hiệu quang sẽ bị tổn hao trong quá trình truyền qua sợi quang.

Bộ khuếch đại quang EDFA được sử dụng để bù đắp tổn hao tín hiệu trong quá trình truyền dẫn Bên cạnh đó, hiện tượng tán sắc cũng gây ra sự méo dạng tín hiệu Do đó, công suất tín hiệu quang nhận được tại đầu vào khối RAU được thể hiện dưới dạng cụ thể.

Công suất quang nhận được tại RAU, ký hiệu là P r, được tính theo công thức P r = G P s exp(−αL) h CD, trong đó G là hệ số khuếch đại của EDFA, α là hệ số suy hao trên sợi quang (đơn vị lần/km), và L là chiều dài sợi quang giữa CO và RAU (đơn vị km) Sự suy giảm công suất tín hiệu do tán sắc trên sợi quang, ký hiệu là h CD, được diễn đạt bằng biểu thức h CD = exp(−2 π Δ v m Δ τ).

Độ rộng phổ công suất của laser, ký hiệu là ∆𝑣𝑚 [m] (FWHM), và độ trễ lan truyền vi sai ∆τ của hai tín hiệu quang do tán sắc màu là những yếu tố quan trọng trong nghiên cứu quang học.

Hệ số tán sắc của sợi quang được ký hiệu là D [ps/km.nm], trong khi vận tốc ánh sáng trong chân không là C [m/s] và bước sóng ánh sáng được biểu thị bằng 𝜆 [m] Hiệu hai tần số được ký hiệu là f MMW [Hz], với f MMW = f 1 − f 2 Dòng điện qua Photodiode PIN có thể được mô tả bằng công thức: I(t) = E r (t) ∨ 2 RP r.

Hệ số chuyển đổi quang điện của Photodiode PIN được ký hiệu là R [A/w] Các thành phần tương ứng với tần số ánh sáng 2𝜔1, 2𝜔1 và 𝜔1 + 𝜔2 sẽ bị triệt tiêu do đáp ứng tần số thấp của Photodiode Tín hiệu sau đó được đưa vào mạch lọc băng thông để lấy tần số MMW = f1 - f2, với f MMW được chọn trong khoảng vài chục GHz.

Tín hiệu vô tuyến có tần số f MMW = f1 - f2 được khuếch đại công suất (PA) và phát qua anten đến các máy thu MS Tại máy thu, tín hiệu này được khuếch đại bởi bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA) và được đưa qua mạch trộn (MIX) để nhân với tín hiệu từ bộ dao động nội có cùng tần số f MMW Phương pháp tách sóng đồng bộ được sử dụng với vòng khóa pha PLL để thực hiện đồng pha và đồng tần số giữa hai tín hiệu, từ đó tạo ra tín hiệu đầu ra cần thiết.

 Trong đó G Tx và G Rx là tương ứng hệ số khuếch đại của anten phát và anten thu

 G p và G L là tương ứng là hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại công suất

PA và bộ khuếch đại nhiễu thấp LNA

 L I là tổn hao công suất trong anten;

 P L là tổng tổn hao công suất trên đường truyền vô tuyến

P L =P fs +P at +P rain log 4πd f mm c +(γ ox +γ wv +γ rain )d (3.16)

Tín hiệu đầu ra từ mạch trộn sẽ được chuyển đến khối MPA để thực hiện quá trình khuếch đại và lọc băng thông Qua đó, các thành phần một chiều và thành phần tương ứng với tần số 2(𝜔1−𝜔2) sẽ bị triệt tiêu, cuối cùng tạo ra tín hiệu QPSK.

Hệ số khuếch đại của MPA được ký hiệu là G M Theo công thức (3.17), thành phần đầu tiên a1 S(t) thể hiện sự tuyến tính, trong khi thành phần thứ hai a2 S2(t) lại là yếu tố phi tuyến, dẫn đến hiện tượng méo dạng.

Luận văn sẽ tiến hành tính toán tổng phương sai nhiễu (σ N 2 ), bao gồm các thành phần như phương sai nhiễu cường độ (RIN) của Laser (2RIN R 2 P r 2 B n), nhiễu nhiệt (σ th 2), nhiễu bắn do tín hiệu quang và nhiễu phát xạ tự phát (ASE) từ bộ khuếch đại EDFA ảnh hưởng đến máy thu (σ shot 2), cùng với nhiễu phách do sự kết hợp giữa tín hiệu quang đến và nhiễu ASE (σ sig 2 ASE).

); nhiễu phách giữa các thành phần ASE với nhau ( σ ASE ASE

Nhiễu pha, nhiễu khuếch đại và nhiễu của máy thu, bao gồm nhiễu nhiệt, nhiễu bắn và nhiễu dòng tối của photodiode PIN, đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích hiệu suất của hệ thống Phương sai nhiễu, khi không tính đến nhiễu pha, được biểu diễn bằng công thức σ N 2.

 Trong đó: B n là băng thông nhiễu của máy thu, RIN là nhiễu cường độ tương đối của Laser:

Dưới tác động của tán sắc vận tốc nhóm, hai tín hiệu quang bị trễ khi truyền qua sợi quang, gây ra sự lan truyền vi sai Sự chậm trễ này làm tăng nhiễu pha trong tín hiệu vô tuyến ở cuối đường truyền, được thể hiện dưới dạng phương sai pha σ CD 2 =∫.

- Do đó, tổng phương sai nhiễu có thể được viết như sau: σ TN 2

- Tại máy thu, hệ số nhiễu tổng của bộ khuếch đại được biểu diễn như sau:

 N F Amp là hệ số nhiễu tổng của bộ khuếch đại;

 N F LNA và N F Amp là hệ số nhiễu của LNA và MPA, tương ứng

- Dựa vào các biểu thức (3.17), (3.18), (3.19), và (3.20), SNR đường xuống được trình bày dưới như sau: [5]

 N F Rx là hệ số nhiễu của anten thu

 σ d 2 là phương sai nhiễu của tín hiệu dữ liệu chuẩn hóa

- Dựa vào thành phần thứ 2 của biểu thức (3.17) ta tính được tỉ số công suất tín hiệu hữu ích trên công suất tín hiệu bị méo dạng như sau:

Kết luận chương

Chương này của đồ án nghiên cứu về truyền sóng trong không gian tự do, tập trung vào các vấn đề suy hao và những hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng đường truyền như đa đường, phản xạ và nhiễu xạ Bên cạnh đó, chúng tôi cũng trình bày các biểu thức toán học để tính toán hiệu năng của hệ thống thông qua các chỉ số như tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR), tỉ số tín hiệu trên nhiễu và méo dạng (SNDR), và tỉ lệ lỗi bit (BER).

Chất lượng mạng truy cập quang - vô tuyến băng thông rộng bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như nhiễu trong sợi quang, bộ khuếch đại quang và máy thu quang, cũng như nhiễu pha đinh do thời tiết và pha đinh nhiều tia trong quá trình truyền Việc khảo sát đặc tính của hệ thống MMW/RoF giúp xác định các thông số quan trọng nhằm cải thiện chất lượng tín hiệu đến máy thu Chúng ta sẽ tiếp tục nghiên cứu các đặc tuyến của hệ thống trong chương 4 tiếp theo.

KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1 Giới thiệu chương