Sử dụng băng tần Milimeter kết hợp với công nghệ ROF để tăng tốc độ của mạng truy nhập vô tuyến

I. Giới thiệu chung

Hiện nay, sự phát triển toàn cầu về số thuê bao di động nhanh hơn nhiều số thuê bao cố định. Hơn nữa, với sự phát triển của xã hội, con người có nhu cầu cao hơn về dịch vụ, như video, đa phương tiện và các dịch vụ giá trị gia tăng mới. Để có thể cung cấp được các dịch vụ băng rộng, các hệ thống di động cần phải có khả năng truyền dẫn dữ liệu cao hơn. Tuy nhiên, các mạng di động hiện nay sử dụng tần số thấp và các macro-cell cho BTS không thể đáp ứng được các yêu cầu đó. Để tăng dung lượng truyền dẫn, có hai lựa chọn có thể được sử dụng bao gồm sử dụng định dạng điều chế đa mức và dịch tần số sóng mang lên băng tần milimeter. Việc sử dụng định dạng điều chế đa mức và xử lý tín hiệu phức tạp khác sẽ làm cho hệ thống phức tạp và dải truyền dẫn hạn chế do yêu cầu cao về độ nhạy máy thu.

Bằng cách tăng tần số hoạt động của hệ thống vô tuyến lên sóng millimeter (trong khoảng từ 36GHz đến 60GHz), băng tần rộng hơn có thể được cung cấp để truyền dữ liệu với tốc độ truyền dẫn cao hơn. Việc tăng tần số hoạt động cũng giúp làm giảm kích thước thiết bị vô tuyến và cái thiện tính định hướng của anten. Trong băng tần sóng millimeter, các sóng được truyền bị suy hao lớn bởi môi trường không khí, do đó kích thước cell sẽ bị hạn chế. Kích thước cell nhỏ nâng cao hiệu quả sử dụng lại phổ tần, cho phép cung cấp các dịch vụ vô tuyến băng rộng tích hợp tới nhiều người sử dụng trong một vùng xác định.

Tuy nhiên, số lượng lớn các trạm gốc được yêu cầu, do đó mạng tế bào chuyên dụng có thể là khá đắt và tiêu thụ công suất cao. Để giảm chi phí của hệ thống và giảm công suất tiêu thụ, các trạm gốc phải được thiết kế càng đơn giản càng tốt [2]. Trong bối cảnh đó, việc sử dụng hệ thống truyền dẫn vô tuyến qua sợi quang (RoF) là rất phù hợp. Mạng RoF sẽ chuyển chức năng xử lý tín hiệu sóng microwave và millimeter từ các trạm gốc (BS) hay khối anten đầu xa (RAU) sang trạm điều khiển tập trung (CS). Các khối anten đầu xa chỉ cần biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện, và truyền ngay lập tức mà không cần bất kỳ việc xử lý nào khác.

Bài báo này sẽ đưa ra một giải pháp tăng tốc độ của mạng truy nhập vô tuyến bằng cách sử dụng băng tần millimeter kết hợp với phương thức truyền sóng vô tuyến qua sợi quang RoF.

II. Công nghệ truyền sóng vô tuyến qua sợi quang RoF

Công nghệ truyền sóng vô tuyến qua sợi quang RoF là phương pháp truyền dẫn tín hiệu vô tuyến đã được điều chế trên sợi quang. Công nghệ này sử dụng các tuyến quang có độ tuyến tính cao để truyền dẫn các tín hiệu RF đến các trạm thu phát. Một hệ thống RoF có kiến trúc như Hình 1.

Một tuyến quang sử dụng RoF bao gồm thiết bị đầu cuối di động (MH), trạm gốc (BS), và trạm điều khiển trung tâm (CS). BS (Base Station): có nhiệm vụ phát sóng vô tuyến nhận được từ CS đến các MH, nhận sóng vô tuyến nhận được từ MH truyền về CS. BS không có chức năng xử lý tín hiệu, nó chỉ đơn thuần biến đổi từ thành phần điện/quang và ngược lại để chuyển về hoặc nhận từ CS. Tùy bán kính phục vụ của mỗi BS mà số lượng BS để phủ sóng một vùng là nhiều hay ít. Trong kiến trúc mạng RoF thì BS phải rất đơn giản.

Các đặc điểm quan trọng của mạng RoF:

- Các chức năng điều khiển như ấn định kênh, điều chế, giải điều chế được tập trung ở CS nhằm đơn giảm hóa cấu trúc của BS. Các BS có chức năng chính đó là chuyển đổi quang/điện, khuếch đại RF và chuyển đổi điện quang.

- Kiến trúc mạng tập trung cho phép khả năng cấu hình tài nguyên và cấp băng thông động cho phép sử dụng băng thông hiệu quả hơn. Hơn nữa nhờ tính tập trung nên khả năng nâng cấp và quản lý mạng đơn giản hơn.

- 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.

- Đặc biệt là kỹ thuật RoF trong suốt với các giao diện vô tuyến và các giao thức vô tuyến nên mạng có khả năng triển khai đa dịch vụ trong cùng thời điểm.

- 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.

III. Kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến sử dụng băng tần milimet kết hợp với công nghệ RoF

Rất nhiều các nghiên cứu đã chỉ ra rằng mạng truy nhập vô tuyến sử dụng sóng mm kết hợp với công nghệ RoF có thể kết hợp được các ưu điểm của cả sợi quang và ưu điểm của tần số sóng mm. 

Hình 2 dưới đây đưa ra kiến trúc hệ thống RoF sử dụng sóng mm. Trạm xử lý trung tâm CS và tram gốc BS được kết nối với nhau bằng các sợi quang. Trong mỗi pico-cell, BS  thông tin với thiết bị đầu cuối di động MT bằng các tín hiệu vô tuyến tại băng tần mm [2].

Mạng RoF sử dụng băng tần mm tuy đạt được sự đơn giản trong cấu hình và đặc biệt là tái sử dụng sóng mang của tuyến nhưng nó yêu cầu các linh kiện phức tạp hoạt động ở băng tần mm và đặc biệt là vấn đề tán sắc cho cự ly dài. Do đó, vấn đề chính trong hệ thống RoF sử dụng sóng mm bao gồm các phương pháp quang tạo tín hiệu vô tuyến sóng mm nhiễu thấp và khắc phục ảnh hưởng của tán sắc sợi quang trên đường truyền tín hiệu vô tuyến quang. Bởi vì cần số lượng lớn các BS, để giảm chi phí bảo dưỡng, cài đặt, và vốn đầu tư hệ thống, các BS càng đơn giản càng tốt. Vì vậy, các công việc xử lý tín hiệu, chẳng hạn như điều chế / giải điều chế , điều khiển chuyển giao giữa các cell,… nên được tập trung tại CS, làm cho BS chỉ là bộ biến đổi bước sóng đơn giản.

Trong bài báo này tác giả giới thiệu ba mô hình mạng có sử dụng RoF bao gồm mạng Wireless LAN, mạng RVC (Road Vehicle Communication), và mạng truy nhập vô tuyến băng rộng ở nông thôn.

Mạng WLAN sử dụng công nghệ RoF

Công nghệ RoF được ứng dụng cho mạng WLAN sẽ là một trong những ứng dụng hứa hẹn nhất, với các BS chỉ thực hiện các chức năng đơn giản và được kết nối đến CS thông qua một sợi quang, các chức năng định tuyến và xử lý được tập trung tại CS. Tuy nhiên, trong mạng WLAN này, do bán kính phủ sóng của các BS nhỏ nên mỗi sự di chuyển của MH sẽ cần phải có yêu cầu chuyển giao. Do sự chuyển giao thực hiện liên tục khi MH di chuyển nên trong mạng WLAN này cần phải có một giao thức chuyển giao đơn giản nhưng phải tin cậy ở băng tần mm. Một giao thức MAC (media access control) được gọi là giao thức chuyển giao bàn cờ (Chess Board Protocol) được áp dụng cho mạng WLAN sử dụng RoF hoạt động ở băng tần 60GHz, với đặc tính chuyển giao nhanh và đơn giản, tích hợp QoS. Với khả năng điều khiển tập trung của mạng RoF nên nó phụ thuộc vào mã chuyển mạch tần số FS (frequency switch) để cung cấp một cơ chế chuyển giao đơn giản, và các picocell liền nhau được ấn định các mã FS trực giao với nhau để tránh hiện tượng giao thoa đồng kênh. Cơ chế này cho phép các MH có thể hiệu chỉnh tần số trong suốt quá trình chuyển giao, đó chính là đặc tính quan trọng nhất của giao thức chuyển giao bàn cờ.

Kiến trúc mạng WLAN sử dụng RoF được mô tả trong Hình 3.

Với kiến trúc cho mạng WLAN này thì mỗi CS sẽ có rất nhiều bộ thu phát (TRX) bằng với số lượng của BS. BS trong kiến trúc này chỉ có những chức năng đơn giản là thu và phát tín hiệu, ngoài ra không có chức năng xử lý tín hiệu nào được thực hiện ở BS. Đối với mạng WLAN này thì các bộ điều chế ngoài được sử dụng thay cho các LD vì chúng hoạt động ở tần số 60GHz, tần số mà các LD không thể đáp ứng kịp. Các bộ thu phát có thể được trang bị các bộ dao động có thể điều chỉnh được nhưng vì giá thành cao, nên đôi khi chúng được trang bị các bộ dao động với tần số cố định. Sự thay đổi bộ dao động sẽ ảnh hưởng đến quá trình phân bổ tần số cho mạng RoF này [1].

Ứng dụng công nghệ RoF vào mạng WLAN hoạt động ở băng tần mm là một trong những ứng dụng đơn giản vào mạng truy nhập vô tuyến. Với cự ly nhỏ, bán kính phủ sóng các picocell  không cần quá lớn, giá thành BS không phải là quá đắt nên các nhược điểm của sóng mm trở nên không đáng kể nữa, trong khi đó các ưu điểm của nó như kiến trúc tập trung, băng thông rộng, tính di động cao lại được phát huy.

Mạng RVC sử dụng RoF

Mạng RVC (Road Vehicle Communication) là cơ sở hạ tầng của hệ thống truyền tải thông minh ITS (Intelligent Transportation System), được ứng dụng cho các phương tiện đang di chuyển có thể truy cập vào mạng. Từ đó, các phương tiện trở thành những thành phần của mạng thông tin, chúng có thể liên lạc với nhau, được sử dụng trong việc điều khiển các phương tiện một cách tự động. Yêu cầu của hệ thống RVC này là phải đạt được tốc độ ít nhất 2-10Mbs cho mỗi MH nếu cần. Hơn nữa, mạng phải không chỉ hỗ trợ thoại và dữ liệu mà còn phải hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện như video thời gian thực khi các MH đang di chuyển. Các mạng thông tin di động tế bào hiện tại và mạng sử dụng băng tần micromet vẫn không thể cung cấp đủ băng thông, do đó các băng tần mm trong khoảng từ 36GHz đến 60GHz đang được xem xét, cải tiến để ứng dụng cho mạng RVC này. Tuy dải băng tần này có băng thông cao hơn so với băng tần micromet, nhưng bán kính phủ sóng của các cell nhỏ hơn do suy hao trong không gian. Cấu trúc mạng RVC sử dụng công nghệ RoF được mô tả trong Hình 4 [1].

Cũng giống như các mạng truy nhập vô tuyến sử dụng công nghệ RoF khác, mạng RVC này bao gồm các BS được quản lý bởi các CS khác nhau. Các BS này được kết nối đến CS bằng các sợi quang. Cấu trúc chi tiết của các BS và CS như được mô tả trong Hình 3.

Mạng RVC trong tương lai sẽ hoạt động ở băng tần mm để đạt được tốc độ dữ liệu cao hơn. Đặc tính của mạng RVC là bán kính cell tương đối nhỏ và tính di động của các MH cao, do đó cơ chế chuyển giao là một trong những vấn đề quan trọng cần phải giải quyết trong mạng này. Khi kiến trúc mạng hoàn chỉnh, nó sẽ được ứng dụng trên các tuyến đường cao tốc, các BS có thể được lắp đặt tại các cột đèn ở giữa hay 2 bên đường rất thuận lợi. Khi đó các phương tiện giao thông trên đường có thể liên lạc với nhau hay liên lạc với trung tâm điều khiển, là cơ sở cho mạng điều khiển phương tiện tự động trong hệ thống ITS. Tuy nhiên, hiện nay vẫn có nhiều vấn đề như các giao thức lớp cao hơn, về mặt kỹ thuật, về mặt kinh tế,… còn cần phải giải quyết, nhưng với những lợi ích mà nó mang lại cho thấy sự khả quan của mạng RVC trong tương lai.

Mạng truy nhập vô tuyến ở ngoại ô, nông thôn sử dụng RoF

Mạng truy nhập băng rộng hiện nay đang có xu hướng phát triển mạnh mẽ. Thêm vào đó, để đạt được sự thuận tiện trong công việc thì ngoài đáp ứng tốc độ cao thì kết nối phải luôn ở tình trạng luôn luôn kết nối. Mạng truy nhập vô tuyến băng rộng hiện nay đã có nhiều lựa chọn tốt hơn để có thể cung cấp cho khách hàng nhiều dịch vụ băng rộng hơn với giá tốt hơn và có thể cạnh tranh được với các dịch vụ truy nhập có dây như xDSL hay mạng cáp. Thậm chí hiện nay, người ta còn dần dần thay thế các đoạn dây đồng chạy đến thuê bao bằng công nghệ wireless mà mọi người vẫn thường gọi cái tên “wireless last mile” nhất là ở những nơi có mật độ dân số thưa thớt như vùng ngoại ô và nông thôn. Ở những nơi này, thứ nhất là vấn đề kéo dây rất khó khăn vì số lượng dân cư thưa thớt trải rộng trên một vùng, vấn đề nữa đó là khả năng tập trung thuê bao cũng không dễ. Do đó sử dụng wireless gần như là một giải pháp kinh tế đối với những nơi này. Trong các nghiên cứu gần đây, người ta cũng bắt đầu quan tâm tới mạng truy nhập vô tuyến băng rộng BWAN (Broadband Wireless Access Network) cho các vùng dân cư thưa thớt như nông thôn hay ngoại ô, nơi mà cần một số lượng lớn BS được lắp đặt trong khi đó yêu cầu lưu lượng ở mỗi BS dường như là rất thấp so với mật độ dân số.

Mặt khác, công nghệ RoF áp dụng cho mạng truy nhập vô tuyến đang trở nên hứa hẹn cho mạng BWAN bởi vì kiến trúc mạng có giá thành khá tốt. Hơn nữa, để hỗ trợ dịch vụ băng rộng, băng tần mm trong khoảng 36-60GHz đang được xem xét để sử dụng cho mạng BWAN này.

Trong hầu hết các kiến trúc mạng RoF thông thường, CS bao gồm một LD, một PD và một modem vô tuyến để phục vụ mỗi một BS. Hơn nữa, nhờ kỹ thuật ghép kênh WDM có thể ứng dụng một cách rộng rãi trong mạng RoF, nên nó đơn giản hóa kết nối giữa BS và CS. Đặc biệt trong mạng này, số lượng bộ TRX ở CS ít hơn số lượng BS có trong mạng và mỗi bộ TRX được trang bị một bộ thu và phát quang có thể điều chỉnh tần số được và một RF modem. Với kiến trúc như vậy, ta có thể đơn giản hóa được cả cấu trúc CS. CS được kết nối liên tục tới nhiều BS, mỗi bộ TRX ở CS đều có một bộ điều chỉnh bước sóng để hoạt động ở nhiều tần số thích hợp. Tuy hệ thống bị giới hạn dung lượng bởi số lượng bộ TRX, nhưng nó có cấu trúc CS đơn giản và mềm dẻo hơn trong việc ấn định băng thông. Do đó, hệ thống này thích hợp cho BWAN khi mà số lượng BS yêu cầu khá lớn nhưng lưu lượng mạng thì không nhiều, thỏa mãn một số yêu cầu của vùng ngoại ô và nông thôn. Kiến trúc mạng BWAN được mô tả như Hình 5.

Mạng bao gồm 1 CS có K TRX, và N BS; mỗi BS kết nối đến CS bởi 2 sợi quang cho tuyến uplink và downlink một cách riêng biệt. Để nối từ CS đến nhiều BS, các thiết bị quang thụ động được sử dụng như là bộ ghép hình sao hay bộ cộng/phân chia quang với đặc tính là các thiết bị này ít nhạy cảm với bước sóng [1]. Do mạng được ứng dụng vùng ngoại ô và nông thôn nên khoảng cách từ CS đến các BS là rất lớn. Chức năng duy nhất của BS trong mạng chỉ đơn giản là chuyển đối tín hiệu từ dạng quang sang RF và ngược lại, BS cũng không có chức năng xử lý tín hiệu nào.

Trên thực tế, kiến trúc mạng này được cải tiến nhiều với những đặc tính thêm vào và sử dụng thêm các công nghệ mới hơn. Mỗi TRX trong mạng CS bao gồm 1 RF modem và một cặp TT-TR (tunable transmit – tunable receiver), có khả năng điều chỉnh tần số trong khoảng bước sóng λ_i, 1 ≤ i ≤ N. Các bộ điều chỉnh bước sóng phải có thời gian điều chỉnh bước sóng là không đáng kể, hay thực tế các TRX phải có thời gian điều chỉnh trong khoảng vài chục nano giây. Modem trong mỗi TRX có khả năng thay đổi kênh RF để điều chế và giải điều chế. Các BS hoạt động ở các bước sóng cố định nên nó có thể sử dụng được các bộ lọc quang thụ động, đơn giản. Mỗi bước sóng có thể được sử dụng như sóng mang cho cả dữ liệu truyền dẫn tuyến uplink lẫn downlink.

Kết luận

RoF là một công nghệ cho phép kết hợp truy nhập vô tuyến và truy nhập quang. Nó kết hợp hai môi trường lại với nhau, đó là sợ quang và vô tuyến. Đây là một trong những cách tương đối đơn giản để truyền các tần số vô tuyến trên sợi quang. Nó sử dụng các tuyến quang tương tự để truyền dẫn và phân phối các tín hiệu vô tuyến giữa CS và một số lượng lớn các BS.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]Hong Bong Kim , ‘Radio over Fiber based Network Architecture’, Berlin, 2005.

[2]Haoshuo Chen, Rujian Lin and Jiajun Ye , ‘Millimeter-wave Radio over Fiber System  for Broadband Wireless Communication’, Shanghai University, Shanghai China

[3]A. M. J. Koonen, and M. García Larrodé, ‘Radio-Over-MMF Techniques—Part II:Microwave to Millimeter-Wave Systems’, , IEEE, 2008

[4]S. Dubovitsky, W. H. Steier, S. Yegnanarayanan, and B. Jalali, ‘Analysis and Improvement of Mach–Zehnder Modulator Linearity Performance for Chirped and Tunable Optical Carriers’,  IEEE.

[5]T. Kuri, K. Kitayama, and Y. Takahashi, ‘.60-GHz-Band Full-Duplex Radio-On-Fiber System Using Two-RF-Port Electroabsorption Transceiver’, IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 12, no. 4, pp. 419.421, Apr. 2000.

[6]Y. Su, J. E. Simsarian, and L. Zhang, ‘Improving the Switching Performance of a Wavelength-Tunable Laser Transmitting Using a Simple and Effective Driver Circuit’, IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 16, no. 9, pp. 2132.2134, Sep. 2004.