Cải thiện hiệu năng hệ thống truyền thông qua không gian bằng phương pháp điều chế vị trí xung

1.Giới thiệu chung

 Truyền thông quang qua không gian (Free Space Optics - FSO) là một công nghệ viễn thông sử dụng sự lan truyền của ánh sáng trong không gian để truyền tín hiệu giữa hai điểm [1] (Hình 1).  FSO là một công nghệ đơn giản với những ưu điểm nổi bật như:

-  Không yêu cầu cấp phép phổ tần vô tuyến.

-  Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ.

-  Dễ dàng triển khai lắp đặt.

-  Khả năng an toàn cao.

-  Tốc độ bit cao.

Hình 1. Hệ thống truyền thông quang qua không gian

Đối với nhà cung cấp giải pháp mạng đô thị băng thông rộng thì FSO là một giải pháp vô cùng hiệu quả. Đơn cử với một mạng đô thị, việc triển khai một hệ thống cáp quang hay thuê lại của nhà cung cấp dịch vụ đều là giải pháp tốn kém. Với FSO có thể thiết lập một hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao một cách nhanh chóng, an toàn và chi phí thấp, không tốn nhiều tiền để bảo dưỡng và hạn chế tối đa các rủi ro khách quan. Hơn nữa còn góp phần làm cho bộ mặt của nội thị văn minh hơn.

Tuy nhiên, vì FSO là một công nghệ tầm nhìn thẳng nên các điểm kết nối buộc phải “nhìn thấy” nhau. Hơn nữa, khi ánh sáng truyền qua không gian, nó phải đối mặt với những thách thức lớn do sự thay đổi trong bầu khí quyển như: sương mù, mưa, tuyết, sự ô nhiễm, sự hấp thụ, sự tán xạ, sự nhiễu loạn, vật cản vật lý hay sự lệchhướng phát-thu khi tòa nhà dao động [2]… Những yếu tố trên, đặc biệt là sự nhiễu loạn trong không khí, làm ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu bên thu và dẫn đến tỉ lệ lỗi bit (BER) tăng cao hơn.

Kỹ thuật điều chế thường được sử dụng trong các hệ thống FSO là điều chế OOK (ON-OFF-Keying) do sự đơn giản của nó và chi phí thực hiện thấp; tuy nhiên tỉ lệ lỗi bit của hệ thống tương đối cao. Để tăng hiệu năng của hệ thống FSO có thể sử dụng phương thức điều chế vị trí xung (Pulse Position Modulation – PPM) [3]. PPM là phương thức điều chế mà trong đó các tổ hợp bit cần truyền (ký hiệu) được sắp xếp vào các vị trí xung khác nhau trong một chu kỳ ký hiệu. Phương thức này rất hữu ích trong việc làm giảm tỉ lệ lỗi bit. Ngoài ra để nâng cao độ nhạy thu, có thể sử dụng photodiode thác APD (Avalanche Photodiode) tại bộ thu. Kết quả phân tích hiệu năng cho ta thấy hệ thống FSO sử dụng phương pháp điều chế M-PPM cho tỉ lệ lỗi bit thấp hơn nhiều so với hệ thống FSO sử dụng OOK.

2.Sự nhiễu loạn

Gió và sự không đồng nhất của nhiệt độ tạo ra những xoáy lốc, những ô nhỏ hay những túi khí có kích thước thay đổi từ 0,1 cm đến 10 m, dẫn tới sự thay đổi nhanh chỉ số khúc xạ, đó là nguyên nhân gây ra sự nhiễu loạn [4]. Các túi khí này đóng vai trò như những thấu kính có đặc tính thay đổi theo thời gian. Sự lan truyền của ánh sáng trong không gian theo đó sẽ bị lệch hướng một phần hay lệch hướng hoàn toàn là phụ thuộc vào mối quan hệ giữa kích thước của chùm sáng phát ra và mức độ không đồng nhất của nhiệt độ. Chính vì vậy, ánh sáng khi đi qua vùng khí quyển bị nhiễu loạn sẽ thay đổi một cách ngẫu nhiên (fading) về pha hay biên độ. Ví dụ đơn giản về ảnh hưởng của sự nhiễu loạn là ánh sáng nhấp nháy của những ngôi sao, hay ánh sáng mờ ảo cuối đường chân trời mà ta nhìn thấy vào những ngày nắng nóng.

Sự nhiễu loạn của bầu khí quyển phụ thuộc vào áp suất khí quyển, tốc độ gió và sự thay đổi của chỉ số khúc xạ. Yếu tố này làm cho biên độ và pha của tín hiệu bên thu dao động liên tục (nhấp nháy), kết quả là cho ta hình ảnh “nhảy múa” trên màn hình máy thu như minh họa trong Hình 2. Trong đó, hình nhỏ phía trên mô tả sự dao động cường độ của tín hiệu trong khoảng thời gian 1 giây. Những dao động này làm tỉ lệ lỗi bit của hệ thống FSO tăng mạnh. Ngoài ra, sự nhiễu loạn còn làm suy giảm tính kết hợp về không gian và trải rộng chùm ánh sáng phát đi.

Hình 2.Ảnh hưởng của sự nhiễu loạn lên tín hiệu thu

3.Phương thức điều chế vị trí xung PPM

      Hiện nay hầu hết các hệ thống FSO đều sử dụng phương pháp điều chế OOK vì tính đơn giản của nó. Sự đơn giản của OOK được thể hiện ở chỗ có mặt hay vắng mặt của sóng mang, tương ứng với bit dữ liệu đầu vào là “1” hay “0”. Một ví dụ về dạng điều chế này được thể hiện trong Hình 3. Trong đó, bit 0 được biểu diễn bằng sóng mang “off” (biên độ sóng mang giảm về 0), bit 1 được biểu diễn bằng sóng mang “on” (biên độ xác định). 

Hình 3. Điều chế OOK nhị phân

Một lựa chọn tốt hơn OOK là PPM. Với điều chế PPM bậc M (M-ary PPM) [4], gọi số bit tương ứng với mỗi ký hiệu là b, b có mối quan hệ với M theo công thức b = log₂ M (bit). Khoảng thời gian mỗi ký hiệu T_wđược chia thành M khe thời gian với độ rộng là T_s, T_s=T_w/M, xung quang được gửi đi tại một trong số M khe thời gian đó. Hình 4 mô tả một ví dụ về PPM bậc 4 (4-PPM). Trong đó I₀là cường độ ánh sáng được truyền trong 1 khe thời gian, b₁b­₂ là 2 bit trong mỗi ký hiệu.

Ưu điểm quan trọng của PPM so với OOK là PPM có năng lượng trung bình hiệu quả hơn vì trong thực tế, để đạt được tỉ lệ lỗi bit cho trước, thì năng lượng trung bình cần thiết của OOK lớn hơn so với

M-PPM với M > 2.

4.  Phân tích hiệu năng hệ thống FSO sử dụng điều chế vị trí xung PPM

    Trong bài báo này, giả thiết rằng sự nhiễu loạn khí quyển không dẫn tới việc trải rộng các xung một cách đáng kể, do đó tính trực giao giữa các ký hiệu PPM vẫn không bị thay đổi. Mô hình phân tích hiệu năng cho hệ thống truyền thông sợi quang sử dụng PPM đã được trình bày trong tài liệu [5]. Dựa trên mô hình này, kết hợp với mô hình truyền quang qua không gian chịu ảnh hưởng của nhiễu loạn ở công thức (1) và (2), ta có thể xây dựng được công thức tính BER cho hệ thống FSO sử dụng PPM (được ký hiệu là P_b^M) [7]:

    Một tham số quan trọng khác trong việc phân tích hiệu năng của hệ thống là hệ số nhân trung bình - tham số đặc trưng cho APD. nằm trong khoảng từ 50200, nếu vượt quá khoảng này, sẽ dẫn tới một mức nhiễu thừa. Khi đó , kết quả là SNR giảm và BER tăng mạnh. Do đó ta phải tìm một giá trị trung bình tối ưu mà khi đó nhiễu nhiệt và nhiễu nền không có ảnh hưởng lớn.

5.Kết quả phân tích hiệu năng

Để có được so sánh công bằng giữa OOK và M-PPM, chúng tôi sử dụng số lượng photon trung bình trên một bit (K_d) làm cơ sở cho việc so sánh. Khi đó, ta có mối quan hệ giữa K_d và K_s như sau: K_s= K_d với OOK và K_s = K_dlog₂M với PPM. 

Các kết quả dưới đây được xét trong điều kiện sự nhiễu loạn của bầu khí quyển là yếu, chỉ số nhấp nháy không vượt quá 0,75, bỏ qua các yếu tố ảnh hưởng khác. Các tham số khác được lựa chọn như sau: , tốc độ bit = 2,4 Gb/s, R_L = 50 W, T⁰ = 300 K (tương ứng với nhiệt độ trong phòng), K_b = 10 photon/khe PPM.

Hình 5. Tỉ lệ lỗi bit theo Kd

Hình 5 biểu diễn tỉ lệ lỗi bit theo K_d. Trong đó ta có thể thấy, với cùng số lượng photon trên một bit thì M-PPM cho tỉ lệ lỗi bit thấp hơn rất nhiều so với OOK. Dù có dùng đến 600 photons/bit thì tỉ lệ lỗi bit trong trường hợp OOK cũng không thể đạt tới 10^-6 (yêu cầu tối thiểu đối với hệ thống truyền dẫn vô tuyến). Trong khi đó, với 4-PPM và 8-PPM thì tỉ lệ lỗi bit có thể giảm xuống dưới 10^-8 và 10^-10. 

Hình 6. Tỉ lệ lỗi bit theo chỉ số nhấp nháy

Hình 6 biểu diễn tỉ lệ lỗi bit theo chỉ số nhấp nháy . Ta biết rằng vớicàng lớn thì BER của hệ thống càng cao. Tuy nhiên, ngay cả với giá trị nhỏ (= 0,2) thì với phương pháp điều chế OOK, BER cũng không thể đạt tới 10^-6. Nhưng bằng cách sử dụng phương pháp điều chế PPM, BER đã giảm đi đáng kể. Với 8-PPM, ta đạt được tỉ lệ lỗi bit khoảng 10^-6 ngay cả khi chỉ số nhấp nháy có giá trị lớn xấp xỉ 0,7.

Hình 7. Tỉ lệ lỗi bit theo hệ số nhân trung bình của APD

Hình 7 biểu diễn tỉ lệ lỗi bit theo hệ số nhân trung bình của APD. Khi ta tăng từ 50 100 thì BER giảm, tuy nhiên khi  lớn hơn 100 thì BER lại tăng do ảnh hưởng của nhiễu lượng tử tăng. Từ đó ta thấy rằng = 100 là giá trị tối ưu mà ta nên lựa chọn vì khi đó BER đạt giá trị thấp nhất.

6.Kết luận

Bài báo đã trình bày phương pháp cải thiện hiệu năng hệ thống truyền thông quang qua không gian dựa trên kỹ thuật điều chế vị trí xung. Phương pháp này giúp giảm đáng kể ảnh hưởng của sự nhiễu loạn, cải thiện độ nhậy thu và đảm bảo tỉ lệ lỗi bit theo yêu cầu ngay cả khi chỉ số nhấp nháy lớn. Ngoài ra, kết quả phân tích hiệu năng cũng giúp tìm ra giá trị tối ưu của hệ số nhân APD để đạt được tỉ lệ lỗi bit thấp nhất cho hệ thống FSO sử dụng kết hợp PPM và APD.

Tài liệu tham khảo

[1] D. Kedar and S. Arnon,Urban optical wireless communication networks: the main challenges and possible solutions,IEEE Commun. Mag., vol. 42, no. 5, May 2004.

[2]  R. R. Iniguez, S. M. Idrus, and Z. Sun,Optical Wireless Communications: IR for wireless connectivity, CRC Press, 2008.

[3]  F. Xu, M.A. Khalighi, S. Bourennane, Pulse Position Modulation for FSO Systems: Capacity and Channel Coding, ConTEL 2009, ISBN: 978-953-184-131-3.

[4]  Ghassemlooy, Z. and Popoola, W.O, Terrestrial free-space optical communication.

[5]  Robert M. Gagliardi and Sherman Karp, Optical Communications, Wiley Series in Telecommunications and Signal Processing, 1995.

[6]  Herbert E. Salzer, Ruth Zucker, and Ruth Capuano, Table of the Zeros and Weight Factors of the First Twenty Hermite Polynomials, Journal of  Research of the National Bureau of Standards, Vol. 48, No. 2, February 1952.

[7]. Kamran Kiasaleh, “Performance of APD-Based, PPM Free-Space Optical Communication Systems in Atmospheric Turbulence”, IEEE Trans. Commun., vol. 53, no. 9, Sept. 2005

Trương Huyền Trang, Trịnh Việt Phúc, Đặng Thế Ngọc