Ảnh hưởng của xuyên nhiễu trong hệ thống truyền thông kết hợp ROF và POF qua sợi quang đa lõi

Trong những năm gần đây, nhu cầu truyền thông trên toàn cầu đang tăng lên một cách nhanh chóng. Theo dự báo của Cisco VNI, lưu lượng IP trên toàn cầu được kỳ vọng tăng gấp ba lần trong 5 năm; vào năm 2022, sẽ đạt mức 396 EB (Exabytes)/ tháng so với mức 122 EB/ tháng ở năm 2017, lưu lượng từ thiết bị có dây sẽ chiếm khoảng 19% lưu lượng Internet, còn lại lưu lượng từ thiết bị di động và Wi-Fi sẽ chiếm khoảng 81%. Với sự gia tăng theo hàm số mũ về lưu lượng từ các thiết bị di động và Wi-Fi này, các mạng tế bào truyền thống đang phải đối mặt với các thách thức lớn. 

Các thách thức này xuất phát từ việc thiếu băng tần trong dải sóng micro (vi ba, từ 0,3 GHz đến 30 GHz) do sự ràng buộc về pháp luật cũng như sự chồng lấn tần số. Để khắc phục hạn chế này, dải sóng milimet (từ 30 GHz tới 300 GHz) đang được nghiên cứu để triển khai cho các mạng truy nhập vô tuyến băng rộng, bao gồm cả các kết nối backhaul của mạng truy nhập vô tuyến, tương lai.

Bên cạnh việc mang lại tốc độ cao và độ khả dụng về băng tần chưa được khai thác lớn, phổ tần sóng milimet còn mang lại nhiều tiềm năng khác, như cho phép triển khai mật độ dày đặc các kết nối từ khoảng cách ngắn đến khoảng cách trung bình, tích hợp các phần tử phát xạ hiệu suất cao tại tần số milimet, và tạo ra các hệ thống tích hợp nhỏ gọn, thích nghi và di động.

Với giải pháp sử dụng phổ tần sóng milimet (millimeter wave - MMW), một số lượng lớn các trạm thu phát gốc (Base Station - BS) cần được triển khai. Do đó, các BS phải có kiến trúc càng đơn giản càng tốt nhằm giảm được chi phí triển khai hệ thống. Để đạt được điều này, các chức năng phức tạp như điều chế/ giải điều chế và nâng tần/hạ tần v.v…, cần phải được thực hiện ở phân hệ xử lý trung tâm (Center Subsystem - CS hay Center Office - CO). 

Với các cự ly truyền dẫn xa hoặc không có tầm nhìn thẳng thì kết nối sợi quang giữa CS và các BS sử dụng hệ thống truyền sóng vô tuyến qua sợi quang (Radio over Fiber - RoF) là một giải pháp hết sức hiệu quả. Với giải pháp này, các BS chỉ thực hiện chức năng chuyển đổi quang/điện nhằm tách ra tín hiệu tần số vô tuyến (ở băng sóng milimet) sau đó khuếch đại và phát tới các thiết di động của người sử dụng hoặc khác khối vô tuyến đầu xa (Remote Radio Head - RRH) trong mô hình mạng truy nhập vô tuyến đám mây (Clound - Radio Access Network - C-RAN).

Công nghệ truyền sóng vô tuyến qua sợi quang đã được tiến hành nghiên cứu và triển khai tại dải tần viba (microwave) khoảng 15 năm trước đây. Trong những năm gần đây, với sự xuất hiện của công nghệ truyền dẫn vô tuyến ở băng sóng milimet như là một ứng viên tiềm năng cho mạng truy nhập vô tuyến di động thế hệ thứ 5 (5G), các nghiên cứu về công nghệ RoF cho truyền sóng milimet cũng đang được nghiên cứu hết sức tích cực. Các nghiên cứu này thường tập trung vào mô hình kiến trúc, phân tích và đánh giá hiệu năng của tuyến truyền dẫn sợi quang sử dụng công nghệ RoF. Công nghệ RoF với tốc độ truyền tải cao, dung lượng lớn và trễ thấp đã và đang được chọn làm giải pháp triển khai cho các mạng truy nhập vô tuyến băng rộng trong tương lai. Khi hệ thống RoF được triển khai ở khu đông dân cư, số lượng lớn RAU cần được triển khai, dẫn đến nhu cầu về nguồn điện tại các RAU này là một vấn đề nghiêm trọng cần xem xét.

RAU được yêu cầu càng đơn giản càng tốt nên công nghệ PoF, cung cấp nguồn điện nhờ bộ biến đổi nguồn quang và sợi quang, đã được đề xuất kết hợp với công nghệ RoF truyền qua sợi MCF. Sợi đa lõi (Multi-core fiber) cũng là một giải pháp để tăng dung lượng và tốc độ dữ liệu. Hiện nay số lõi sợi đã đạt được khoảng 32 lõi trên một sợi MCF.

Kiến trúc hệ thống truyền sóng vô tuyến ở băng tần milimet qua sợi quang kết hợp với truyền nguồn điện qua sợi quang đa lõi được mô tả như Hình 1. Trong đó, sợi đa lõi được sử dụng để truyền đồng thời tín hiệu vô tuyến đã được điều biến sang tín hiệu quang và cũng được dùng để truyền nguồn quang trên đó để chuyển đến các RAU ở đầu xa.

Sơ đồ nguyên lý của RAU được mô tả như trong Hình 2. Thông thường một RAU bao gồm bộ thu quang tốc độ cao yêu cầu một nguồn điện dùng làm dòng bias và một bộ khuếch đại RF yêu cầu 2 nguồn điện cho dòng bias Gate và drain. Như vậy, 3 lõi được sử dụng cho truyền nguồn điện (PoF) và một lõi sợi cho truyền tín hiệu RoF đối với mỗi RAU.

Với giải pháp truyền đồng thời tín hiệu vô tuyến và nguồn điện qua sợi quang đa lõi, hệ thống RoF có thể đảm bảo được hoạt động mà không lo cung cấp nguồn điện tại RAU. Tuy nhiên, việc sử dụng sợi quang đa lõi để truyền đồng thời các tín hiệu này lại chịu ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh.

Hệ thống thử nghiệm

Hệ thống truyền kết hợp tín hiệu RoF và PoF qua sợi đa lõi được thử nghiệm như Hình 3. Trong hệ thống này, sợi đa lõi được sử dụng để truyền kết hợp tín hiệu vô tuyến và nguồn điện. Trong đó, một lõi được sử dụng để truyền tín hiệu RoF và hai lõi được sử dụng để truyền nguồn điện.

Hai kịch bản được triển khai (Hình 4) bao gồm:

Kịch bản A: sử dụng ba sợi đơn mode SMF, trong đó một sợi để truyền tín hiệu RoF và hai sợi để truyền, nguồn điện.

Kịch bản B: sử dụng sợi 6 lõi MCF để truyền trong đó lõi 6 được sử dụng để truyền tín hiệu RoF, 4 lõi sử dụng để truyền nguồn điện, 1 lõi bỏ trống.

Kết quả thử nghiệm

Ảnh hưởng của crosstalk được thể hiện trong Hình 5.

Crosstalk trong lõi 6 tỉ lệ với công suất đầu vào mỗi lõi 1 - 4. Với công suất trong mỗi lõi (1 - 4) bằng 13 dBm, công suất rò rỉ thấp nhất đo được là -39 dBm. Với nguồn điện yêu cầu cho bộ khuếch đại là 50 mW thì 23 dBm trong mỗi sợi được yêu cầu, khi đó crosstalk trong lõi 6 là -29 dBm. Mức công suất -29 dBm là đủ thấp để cho phép truyền tín hiệu vô tuyến ở mức 0 đến +4 dBm qua sợi quang vì crosstalk khi đó nhỏ hơn khoảng 30 dB so với tín hiệu RoF.

So sánh ảnh hưởng của crosstalk của hai kịch bản A và B được chỉ ra trong Hình 6. Hai kịch bản cho BER gần giống nhau, sự khác biệt nhỏ này có thể do lỗi đo. Với công suất phát trong lõi 6 là 3 dBm có thể đạt được tỉ lệ lỗi bit 10-3.

Kết luận

Bài báo đã đưa ra giải pháp sử dụng sợi quang đa lõi MCF để truyền kết hợp đồng thời tín hiệu vô tuyến và nguồn điện. Kết quả thử nghiệm trong bài báo cũng đã cho thấy mức ảnh hưởng của xuyên nhiễu tới tín hiệu là nhỏ. Do vậy, đây có thể là giải pháp tốt sẽ được quan tâm trong tương lai.

Tài liệu tham khảo

1. Cisco, "Cisco Visual Networking Index: Forecast and Trends, 2017–2022," Feb-2019

2. G. K. Chang and L. Cheng, "Fiber-wireless integration for future mobile communications," pp.16–18, Proc of Radio and Wireless Symposium (RWS), 2017.

3. Y. Sasaki, R. Fukumoto, K. Takenaga, K. Aikawa, K. Saitoh, T. Morioka, and Y. Miyamoto, "Crosstalk-managed heterogeneous single-mode 32-core fiber," pp. 550–552, 42nd European conference and Exhibition on Optical Communications, 18–22 Sept 2016.

4. T. Umezawa, K. Kashima, A. Kanno, A. Matsumoto, K. Akahane, N. Yamamoto, and T. Kawanishi, "100-GHz Fiber-Fed Optical-to-Radio Converter for Radio- and Power-Over-Fiber Transmission," IEEE-JSTQE, 3800508, Vol. 23, No. 3, May/Jun 2017.

5. T. Umezawa, A. Kanno, K. Kashima, A. Matsumoto, K. Akahane, N. Yamamoto, and T. Kawanishi, "Bias-free operational UTC-PD above 110 GHz and its application to high baud rate fixed-fiber communication and W-band photonic wireless communication," Journal of Lightwave Technology, Vol. 34, No. 13, pp. 3138–3147, 2016.

6. T. Umezawa, P. T. Dat, E. Hase, K. Kashima, A. Kanno, K. Akahane, A. Mstsumoto, N. Yamamoto, and T. Kawanishi, "100 GHz optical-to-radio converter module and its application in radio and power over fiber transmission through multi-core fiber," W4B.2, Proc. of OFC 2017.

(Bài đăng ấn phẩm in Tạp chí TT&TT số 13+14 tháng 10/2020)

TS. Phạm Anh Thư, ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền