Luận án Nghiên cứu công nghệ truyền dẫn lai ghép FSO, MMW và sợi quang cho mạng Backhaul di động

t điện từ, hình dạng và hướng của chùm tia bị ảnh hưởng bởi những nhiễu này lần lượt ảnh hưởng đến hiệu năng tổng thể của liên kết quang học. Khoảng cách liên kết FSO phụ thuộc vào các điều kiện thời tiết như sương mù, mưa và khói mù. Trong các liên kết trên mặt đất của FSO, việc truyền dẫn được thực hiện từ tòa nhà này sang tòa nhà khác hoặc giữa hai trạm. Sự kết nối giữa các điểm có thể là điểm đến điểm, điểm đến đa điểm. Khi chùm quang lan truyền giữa hai điểm trong không gian tự do, chùm tia truyền qua bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như chùm phân kỳ, tổn thất khí quyển, nhiễu loạn khí quyển và ánh sáng xung quanh. 2.1.4.1. Suy hao khí quyển Suy hao khí quyển là sự suy hao trong chùm quang học và bị gây ra bởi sự hấp thụ và tán xạ của chùm tia. Suy hao khí quyển được đưa ra bởi định luật Beer. Sự hấp thụ là sự suy hao năng lượng tín hiệu của chùm tia bằng sự hấp thụ năng lượng của các hạt có trong khí quyển. Các hạt hấp thụ được chia thành chất hấp thụ phân tử và 43 chất hấp thụ aerosol . Hấp thụ phân tử xảy ra do các khí có trong bầu khí quyển như là N2, H2, v.v.. Aerosol là các hạt lơ lửng trong môi trường. Các hạt chất lỏng có trong khí quyển tồn tại ở dạng sương mù. Các hạt rắn tồn tại dưới hình thức của bụi, hạt núi lửa, v.v. [58] Sự tán xạ xảy ra khi ánh sáng va chạm với các hạt có mặt trong môi trường dẫn đến sự phân bố lại ánh sáng hoặc lệch trong góc tới. Tán xạ và hấp thụ phụ thuộc bước sóng. Khi kích thước của hạt va chạm nhỏ hơn bước sóng của chùm thì nó được gọi là phân tán Rayleigh. Khi kích thước hạt tương đương bước sóng thì nó được gọi là tán xạ Mie. Khi kích thước hạt lớn hơn bước sóng của chùm sáng thì nó không tán xạ chọn lọc [32]. Các tác nhân khí quyển gây ra tán xạ và hấp thụ bao gồm sương mù, mưa, tuyết và cát. 2.1.4.2. Nhiễu loạn khí quyển Sự thay đổi nhiệt độ và áp suất của không khí tạo ra một hiện tượng ngẫu nhiên gọi là nhiễu loạn khí quyển. Bởi vì sự thay đổi trong chiết suất, bầu không khí hoạt động như các tế bào khác nhau tế bào được gọi là xoáy. Các xoáy này làm lệch đường truyền ánh sáng. Độ nhiễu loạn được đo bằng hệ số cấu trúc chiết suất 𝐶'(. Giá trị 𝐶'( thay đổi tùy thuộc vào thời gian trong ngày. Tại thời điểm giữa ngày, giá trị của 𝐶'( = 1,7 x 10-14 m -2/3. Tại thời điểm yếu nhất, giá trị này được xác định bằng 8,4 x 10-15 m-2/3 [160]. Chùm tia laser chịu ba tác động nhiễu loạn khí quyển bao gồm sự nháy sáng, chùm lạc hướng và chùm lan rộng và ánh sáng môi trường xung quanh. - Sự nháy sáng Dao động ngẫu nhiên trong không khí tạo ra một sự dao động về cường độ của sóng truyền. Cường độ của sóng dao động được đo bằng chỉ số nháy sáng 𝜎,(. Độ mạnh của nhiễu loạn khí quyển được phân loại dựa trên chỉ số nháy sáng. - Chùm lạc hướng Khi kích thước các tế bào vượt quá kích thước chùm thì dao động ngẫu nhiên xảy ra trong chùm dẫn đến lệch hướng truyền của chùm tia. Sự lệch hướng của chùm tia ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu. Sự lệch hướng của chùm tia gia tăng theo khoảng cách. Tác động nháy sáng ảnh hưởng lớn hơn tác động của bước sóng tới sự 44 lệch hướng của chùm tia, do đó ảnh hưởng của sự lệch hướng ở bước sóng ngắn hơn sẽ ngắn hơn so với các bước sóng dài hơn. - Chùm lan rộng Chùm lan rộng là sự lan rộng của chùm tia quang học lan truyền trong khí quyển. Sự lan truyền chùm tia được giảm bớt bằng cách tăng bán kính khẩu độ trung bình khi chùm tia bị nhiễu xạ gần khẩu độ máy thu. Chùm tia lan truyền do nhiễu loạn khí quyển xảy ra khi kích thước của chùm tia lớn hơn kích thước của xoáy. Sự nhiễu loạn làm tăng sự lan truyền của chùm tia. - Ánh sáng môi trường xung quanh Các nguồn ánh sáng xung quanh như mặt trời, mặt trăng và ánh sáng huỳnh quang là nguyên nhân chính gây ra nhiễu môi trường. Những nhiễu này được phân loại gồm nhiễu trắng, nhiễu Gauss và nhiễu tín hiệu độc lập. Khu vực nhiễu nền được mô hình hóa bằng các biến ngẫu nhiên Poisson. Việc lựa chọn bước sóng của chùm quang học dài hơn bước sóng của viễn thông 1.5 𝜇𝑚 sẽ làm giảm bức xạ nền. Ảnh hưởng của nhiễu môi trường được giảm thiểu bằng cách sử dụng truyền bước sóng kép và vi sai các phương pháp phát hiện dữ liệu [35]. 2.2. Tổng quan về hệ thống truyền sóng milimet MMW 2.2.1. Giới thiệu về MMW Hệ thống truyền sóng milimet được xem như một hệ thống tương đương cáp quang về mặt cung cấp băng thông, song lại không có những hạn chế về truyền tải và chi phí khi triển khai. Sóng milimet có dải bước sóng từ 1 đến 10 mm. Sóng milimet lớn hơn sóng hồng ngoại hoặc tia x, nhưng nhỏ hơn sóng vô tuyến. Vùng sóng milimet của quang phổ điện từ tương ứng với dải tần số băng tần vô tuyến 30–300 GHz và còn được gọi là tần số cực kỳ cao (EHF). Các tần số cao của sóng milimet, cũng như đặc điểm lan truyền giúp cho sóng milimet có thể ứng dụng cho việc truyền tải lượng lớn dữ liệu, thông tin liên lạc di động và radar. Dựa trên các nghiên cứu hiện có [143], sự lan truyền vô tuyến trong các dải băng tần sóng milimet MMW có các tính năng như sau: 45 - Sự suy hao đường truyền cao - Nhạy cảm với môi trường truyền dẫn - Sự tắc nghẽn hình học - Không cố định trong thời gian và không gian. Công nghệ băng tần sóng milimet MMW đã được nghiên cứu rộng rãi từ năm 1965 (ngay sau Thế chiến II) và vẫn còn tiếp diễn cho tới hiện tại [95]. Các nghiên cứu từ trước tới nay thường tập trung vào hệ thống radar, truyền thông bằng sóng vô tuyến, đo đạc bức xạ, cảm biến khí quyển và hình ảnh vệ tinh. Công nghệ băng tần sóng milimet cho phép thiết kế các bộ thu phát chi phí thấp bao gồm các thành phần kích cỡ nhỏ và chuyên dụng cho việc truyền thông không dây tầm thấp và tốc độ cao, các ứng dụng cần độ phân giải và chính xác cao (như cảm biến không dây), v.v. Mỗi dải tần sóng milimet được sử dụng cho các ứng dụng khác nhau (Bảng 2.1). Bảng 2. 1. Băng tần sóng milimet MMW Cụ thể, những ứng dụng lớn thường sử dụng 3 băng tần V, E, W được mô tả dưới đây: 46 Ø Truyền thông không dây tốc độ cao trong phạm vi ngắn (59–64 GHz): Băng tần V Ủy ban Truyền thông Liên bang (FCC) đã cấp phép thử nghiệm một băng tần 60 GHz, còn được gọi là băng tần V, cho phép các nhà nghiên cứu tận dụng phổ tần 5 GHz. Đi cùng với đó, sự lan truyền năng lượng có những đặc điểm riêng đảm bảo nhiều ưu điểm như khả năng chống nhiễu, tính bảo mật cao và khả năng tái sử dụng tần số [87][165]. Băng tần V trong dải băng tần sóng milimet MMW là một nguồn tài nguyên hấp dẫn đối với ngành công nghiệp không dây (thích hợp cho truyền thông trong nhà tốc độ cao và cảm biến radar cho độ phân giải cao ở khoảng cách gần) bởi độ suy hao truyền dẫn lớn do oxy trong khí quyển của nó. Do sự suy hao trong khí quyển có thể lên tới 10–15 dB/km, băng tần này không được sử dụng trong các ứng dụng tầm xa (> 2 km) mà chỉ thích hợp với truyền thông tầm ngắn (<1 km). Một số ứng dụng quan trọng của băng tần này có thể kể tới ứng dụng trong việc truyền video độ nét cao, truyền tệp ở tốc độ gigabit/giây, công nghệ Ethernet Gigabit không dây và truyền thông giữa các tòa nhà, trong văn phòng và trong nhà. Ø Máy dò Radar trên xe ô tô (24 GHz và 76–77 GHz): Băng tần E Mục tiêu chính của “hệ thống hỗ trợ lái xe” là tăng cường độ an toàn và thoải mái cho quá trình lái xe. Tuy nhiên, hệ thống này cần có các cảm biến radar để giám sát một cách chính xác tình trạng giao thông diễn ra xung quanh xe. Cảm biến radar sử dụng sóng milimet được xem là một trong những công nghệ quan trọng nhất trong các ứng dụng chính của hệ thống hỗ trợ lái xe (sự tiện lợi, khả năng tự tính toán và điều chỉnh tốc độ / khoảng cách, kiểm soát hành trình tự động ACC, sự cải thiện về độ an toàn, v.v.) [44][156]. Hai dải tần số (24 GHz và 77 GHz) được sử dụng trong các máy dò radar của xe. Tuy nhiên, việc sử dụng hai dải tần này đang gặp phải những vấn đề đến từ chính các đặc điểm của cảm biến radar được mô tả như sau: Kích thước khẩu độ ăng-ten ảnh hưởng đến chất lượng cảm biến. Yếu tố này đóng vai trò quan trọng, nhất là khi việc tích hợp nhiều cảm biến vào một chiếc xe là cả một quá trình đòi hỏi độ phức tạp cao. Ở tần số 77 GHz, kích thước khẩu độ ăng- 47 ten nhỏ. Trong khi đó ở tần số 24 GHz, khẩu độ cần lớn hơn gấp 3 lần để mang lại hiệu năng tương tự. Các cảm biến radar tầm ngắn yêu cầu độ phân giải không gian cao lên đến 4 GHz. Độ rộng băng thông như trên tương đương với dải tần tương đối khoảng 5% ở băng tần 77 GHz so với 17% ở băng tần 24 GHz. Băng thông tương đối nhỏ này thuận tiện hơn cho việc thiết kế ăng-ten. Việc kết hợp công suất phát lớn và băng thông cao đảm bảo đồng thời việc vận hành tầm xa và khả năng hoạt động của cảm biến trong phạm vi rộng. Sự kết hợp này chỉ có thể thực hiện đối với băng tần 77 GHz. Băng tần 24 GHz có tác động lớn tới việc tiêu thụ điện năng và nhiễu, v.v. Tuy nhiên, các radar 77 GHz lại nhỏ hơn giúp giảm khối lượng chung và những chi phí liên quan. Những nghiên cứu về băng tần 77 GHz vẫn đang được tiến hành gần đây. Bên cạnh đó, việc nâng cấp các thiết bị dò radar trên xe cũng đang được tập trung nghiên cứu do nhu cầu ngày càng gia tăng. Về mặt kỹ thuật, việc chuyển từ băng tần 24 GHz lên 77 GHz là một điều bình thường để đảm bảo độ chính xác và phân giải tốt mà thiết bị lại có kích thước nhỏ gọn hơn. Từ những điều này, ta có thể hiểu tại sao thị trường radar ô tô đang chuyển từ băng tần 24GHz sang băng tần 77 GHz. Ø Hệ thống đo bức xạ sóng milimet (85–94 GHz): Băng tần W Công nghệ hình ảnh được phát triển gần đây và hiện được coi là một thách thức mới trong lĩnh vực truyền thông không dây. Băng tần sóng milimet MMW (85–94 GHz) hay băng tần W [38][63] bắt đầu được sử dụng trong các ứng dụng hình ảnh trong nhà và ngoài trời do các đặc tính được nêu ra dưới đây: Cảm biến hình ảnh radar (tầm thấp và độ phân giải cao) thích hợp để dẫn đường cho rô-bốt trong các môi trường bất lợi hơn so với cảm biến quang học và hồng ngoại [87]. Bước sóng của các tín hiệu MMW này nằm trong khoảng từ 3 đến 9 mm và có giá trị suy hao khí quyển không đổi (0,2 dB/km), trong điều kiện trời quang hoặc sương mù. Do đó, băng tần này có thể hỗ trợ robot di chuyển qua khói, sương mù, mưa dày đặc, bức xạ môi trường và bụi. Tuy nhiên trong khi di chuyển, robot cần 48 phải khám phá môi trường xung quanh để tránh các chướng ngại vật và xác định đường di chuyển. Các cảm biến hình ảnh radar có thể cung cấp thông tin hạ cánh hữu ích cho máy bay, giúp giảm sự phụ thuộc của máy bay vào hệ thống hạ cánh trên mặt đất và GPS trong không gian, bằng cách cho phép phi công lập bản đồ đường băng ngay cả trong điều kiện thời tiết xấu [73][79][108][110][132]. Trong băng tần W, các chất điện môi như nhựa và vải trở nên trong suốt. Do đó, một cảm biến MMW (sử dụng ăng-ten mảng) có thể sử dụng để quét một nhóm người, nhận diện vũ khí và hàng lậu được giấu dưới quần áo của họ. Do đó, các cảm biến này có thể đáp ứng yêu cầu nhận diện hình ảnh trong an ninh và giám sát [13][60][80]. Công nghệ hình ảnh MMW được sử dụng trong lĩnh vực chẩn đoán y khoa để phát hiện sớm bệnh ung thư [4][82] . Việc này được thực hiện dựa trên tương tác phân tử (điện môi), chứ không phải dựa trên mật độ nguyên tử của bức xạ sóng vi ba như với công nghệ hình ảnh tia X. Trong MMW, các mô ác tính chứa hàm lượng nước cao gây ra sự phân tán đáng kể so với các mô bình thường, dẫn đến hàm lượng nước chung thấp. Hơn nữa, việc phát hiện các khối u có thể thực hiện được bằng cách tăng độ dẫn điện của điện môi và các mô ác tính. Cả hai hệ thống chẩn đoán hình ảnh chủ động và thụ động đều có thể được sử dụng trong việc phát hiện các khối u. Ngoài ra, hệ thống chẩn đoán hình ảnh thụ động còn được sử dụng để đánh giá vết bỏng. Hơn thế nữa, ta còn ứng dụng hệ thống chẩn đoán chủ động và các nguyên tắc cảm biến chuyển động của Hiệu ứng Doppler vào trong việc phát hiện các dấu hiệu sống của người bệnh. 2.2.2. Ưu điểm của MMW Truyền thông MMW có thể hỗ trợ hầu hết các ứng dụng liên quan đến truyền thông không dây. Phạm vi tần số MMW trong phổ điện từ là từ 30Hz đến 300Hz, nằm giữa phần vi ba (1 GHz đến 30 GHz) và phần hồng ngoại (IR). Bảng 2.1 cho thấy sự phân chia các tần số MMW thành các dải tần khác nhau. 49 Bước sóng MMW có độ dài từ 1-10 mm, được đặc trưng bởi bước sóng ngắn. Hơn nữa, băng tần được cấp phép MMW và 92–95 GHZ có khả năng đạt được băng thông cao và liên kết truyền điểm-điểm, trong khi băng tần không được cấp phép, tức là 60 GHZ có thể hỗ trợ giao tiếp tầm ngắn [99]. Bước sóng dải ngắn đảm bảo một số lợi thế như giảm kích thước thiết bị, độ rộng chùm tia hẹp và độ phân giải tốt hơn. Băng thông MMW rất rộng, thuận tiện để tăng tốc độ dữ liệu và có được khả năng chống nhiễu rất tốt. Hơn nữa, nó được chấp nhận như một giải pháp tối ưu để khắc phục sự thiếu hụt tần số cũng như tối đa hóa việc sử dụng dải tần có. Mô hình MMW được nghiên cứu rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như truyền thông vệ tinh, thông tin di động, thiên văn học và y tế, v.v. Tương tự, MMW được phổ biến rộng rãi trong giải trí để truyền video trực tuyến cao với chất lượng tín hiệu video rất cao [126]. Bước sóng nhỏ của tín hiệu MMW kết hợp trong các mạch CMOS-RF công suất thấp cho phép một số lượng lớn các ăng ten thu nhỏ được đặt trong phạm vi nhỏ [45][126]. Các hệ thống nhiều ăng-ten này có thể được sử dụng để tạo thành các mảng có hệ số khuếch đại cao, được chế tạo tại trạm gốc, trong vỏ của điện thoại di động hoặc thậm chí trong chip. Do phạm vi tín hiệu MMW ngắn, các hệ thống 5G hướng tới mục tiêu bao gồm một số lượng lớn các tế bào có bán kính 100-200m, mỗi tế bào sử dụng các ăng ten định hướng cao để cải thiện phạm vi và phân tách không gian, kết hợp đáng kể để tăng băng thông với không gian ghép kênh thu được từ việc truyền nhiều ăng ten có chiều cao hơn [95]. Hệ thống MMW cung cấp khả năng tăng dung lượng cực lớn so với các mạng thương mại hiện tại. Điểm nhấn của hệ thống MMW là hướng tới việc truyền dẫn có định hướng cao [151]. Do thực tế là tăng định hướng với định dạng chùm tia thích hợp, nó hoàn toàn có thể bù đắp và hỗ trợ giảm suy hao đường dẫn trong các ăng-ten đa hướng. 2.2.3. Hạn chế của MMW Sóng milimet MMW cung cấp độ suy hao cao, truyền tín hiệu, nhiễu và fading, được hấp thụ bởi các chất khí trong khí quyển. Sự suy hao này làm cho sóng milimet MMW (băng tần 60GHz) thuận tiện trong giao tiếp tầm ngắn (10–20 km) 50 [23][29][127]. Cường độ và hiệu năng của tín hiệu MMW bị ảnh hưởng nhiều bởi các yếu tố tự nhiên, như mưa và độ ẩm. MMW cũng có thể di chuyển và lan truyền bằng giao tiếp tầm nhìn thẳng LOS vì tần số tầm ngắn của nó, có nghĩa là các đối tượng vật lý như (tòa nhà, tường, cây cối, v.v.) có khả năng dừng và làm nhiễu các sóng này. Giao tiếp MMW với băng thông đa GHz cho phép dung lượng và tốc độ truyền rất cao hơn so với truyền thông viba thông thường. Ngược lại, tín hiệu MMW bị thiếu sót về hướng lan truyền [57]. Một hạn chế khác về tín hiệu MMW là nó rất dễ bị che khuất, chẳng hạn như vật liệu, gạch có thể làm suy hao tín hiệu 40–80 dB [151] và bản thân cơ thể con người có thể mất khoảng 20–35 dB. Ngược lại, độ ẩm và mưa là những vấn đề chính đối với các liên kết backhaul MMW tầm xa [18][29]. Cơ thể con người và nhiều vật liệu phản xạ ngoài trời là những chất tán xạ quan trọng đối với sự lan truyền của MMW. Các ứng dụng gần đây cho MMW thường dành cho các liên kết điểm-điểm, tức là hệ thống mạng di động hoặc mạng cục bộ (LAN) và mạng khu vực cá nhân (PAN) với dung lượng hạn chế không cho phép nhiều đường truyền đồng thời . Để cải thiện việc tái sử dụng phổ và hiệu quả phổ, nó yêu cầu truyền dẫn đồng thời trên nhiều liên kết gây nhiễu. Do đó, các cơ chế mới đã được đề xuất để điều phối các đường truyền này trong hệ thống MMW. Hơn nữa, tiêu thụ điện năng là một thách thức khác trong việc tận dụng lợi thế của sóng đa âm thanh và MMW băng thông rộng trong thích ứng tương tự-kỹ thuật số (A/D). 2.2.4. Thách thức đối với MMW 2.2.4.1. Đặc tính và mô hình kênh Các yêu cầu đối với mô hình kênh sóng milimet MMW ngoài trời dự kiến sẽ rất giống với trường hợp trong nhà được mô tả kỹ trong các tài liệu IEEE 802.11. Mô hình kênh phải cung cấp các đặc tính không gian chính xác của kênh truyền dẫn (yêu cầu cơ bản) đối với các mô hình sử dụng chính, hỗ trợ tạo chùm với ăng-ten định hướng có thể giám sát trên cả hai phía TX và RX. Ngoài ra, một vấn đề chúng ta cần quan tâm là đặc điểm phân cực của ăng-ten và tín hiệu hỗ trợ đặc tính không đứng 51 yên của kênh truyền. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng mô hình tiếp cận nhóm không gian động. Mô hình kênh được áp dụng phương pháp phân nhóm với mỗi cụm bao gồm nhiều tia gần nhau cách nhau trong miền thời gian và miền góc. Trong môi trường thực tế, thời gian và các tham số góc của các cụm và tia khác nhau phụ thuộc thời gian do thiết lập không ổn định. 2.2.4.2. Công nghệ ăng-ten và Beamforming Tổn hao chèn ở tần số sóng milimet là cao hơn rất nhiều so với ở băng tần 6 GHz. Để kích hoạt kết nối với SNR tương thích đòi hỏi các ăng-ten có tính định hướng cao. Trong khi kết nối backhaul và fronthaul nhìn chung là các kết nối tĩnh, kênh và hướng của các liên kết truy cập thay đổi liên tục do chuyển động của UE và sự thay đổi môi trường. Do đó, ăng-ten tạo chùm tia có beamforming cao đóng vai trò cần thiết ở trạm di động loại nhỏ. Giải pháp đơn giản nhất đáp ứng tất cả các yêu cầu là ăng-ten mảng pha sóng milimet, được sử dụng thành công cho các mô hình đề xuất [46]. Tuy nhiên, việc tạo ra các mảng ăng-ten khẩu độ lớn như vậy có thể tạo ra các trở ngại về chi phí sản xuất, tản nhiệt và độ phức tạp của mạch nguồn. 2.2.4.3. Khai phá các tế bào nhỏ Việc phát hiện ra các tế bào sóng milimet có mối liên quan chặt chẽ đối với vấn đề liên kết truy cập có định hướng độ khuếch đại cao và khái niệm về mặt phẳng phân chia như đã được trình bày trên đây. Thiết bị đầu cuối phải được kích hoạt để phát hiện đang trong vùng phủ của một trạm di động nhỏ nhanh chóng để hưởng lợi ích của việc truyền dẫn tốc độ cao từ trạm đó. Không gian thiết kế cho các cơ chế phát hiện như vậy được quyết định bởi các ăng ten và thuật toán tạo tia nhưng cũng phải bao gồm thông tin kênh phụ, chẳng hạn như vị trí địa lý của thiết bị và các tế bào nhỏ trong vùng lân cận. 52 2.2.4.4. Phân chia kiểm soát/ Giao diện người dùng Khía cạnh quan trọng nhất của việc tách C/U là cung cấp thông tin cần thiết để thực hiện phân công và quản lý tài nguyên vô tuyến một cách tối ưu hóa đến thực thể mạng. Điều này tạo điều kiện cho phép chi tiết hóa các yêu cầu dịch vụ, yêu cầu vận hành của hệ thống theo kiến trúc mới và truyền thống. Sự tách biệt giao diện kiểm soát tạo điều kiện cho sự phát triển của các công nghệ truy cập vô tuyến khác nhau trong cùng một mạng, được thí điểm bởi một cơ sở hạ tầng điều khiển chung để phục vụ các yêu cầu của người dùng "theo yêu cầu". Tính không đồng nhất có thể được mở rộng sang các công nghệ kế thừa, chẳng hạn như 4G. Việc này sẽ tạo ra giải pháp tốt nhất theo một số chỉ số hiệu năng chính, như độ trễ chuyển đổi kênh dữ liệu, khả năng khôi phục phiên dữ liệu trong quá trình di động, tải mạng tăng lên do lượng lớn thông tin được trao đổi. 2.3. Giải pháp truyền dẫn lai ghép FSO/MMW 2.3.1. Đặt vấn đề Hệ thống truyền thông quang trong không gian tự do FSO và truyền thông RF đã thu hút nhiều sự chú ý cho kết nối không dây tốc độ dữ liệu cao trong truy cập băng thông rộng và mạng truyền dẫn thế hệ tiếp theo [6][17][28]. Bên cạnh lợi thế về tốc độ dữ liệu cao, cả hai hệ thống FSO và RF đều có ưu điểm là triển khai linh hoạt. Do các kênh FSO và RF đều không bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết và hiệu ứng fading giống nhau nên đã có nhiều đề xuất kết hợp các liên kết FSO và RF để tạo thành một hệ thống lai ghép hoặc kết hợp FSO/RF cho một liên kết có độ tin cậy và tính có sẵn tốt [33][37][61][70][107][120][129]. Có hai cách tiếp cận để tích hợp các công nghệ FSO và RF, như hệ thống truyền dẫn lai ghép chuyển đổi FSO/RF và hệ thống kết hợp FSO/RF hai chặng. Phương án đầu tiên, sử dụng song truyền FSO và RF cho cùng một đường dẫn, kế thừa hoạt động bổ trợ của hai công nghệ. Tuy nhiên cách tiếp cận này yêu cầu chuyển đổi và kết hợp phần cứng giữa liên kết FSO và RF [12][58][140]. Dựa trên kỹ thuật chuyển tiếp, cách tiếp cận thứ hai tạo nên một hệ thống hai chặng bằng cách sử dụng liên kết FSO 53 ở một chặng và liên kết RF ở chặng khác như trong Hình 2.4. Các hệ thống kết hợp FSO/RF hai chặng có thể sử dụng để kết nối giữa mạng truy cập và mạng lõi [6]. Hình 2. 4. Mô hình hệ thống kết hợp FSO/RF hai chặng Nhiều nghiên cứu đã được đề xuất để phân tích hiệu năng của các hệ thống kết hợp FSO/RF hai chặng [33][37][61][70][107][120][129]. Một trong những nghiên cứu đầu tiên, nhóm tác giả đã nghiên cứu hiệu năng của liên kết RF/FSO đối xứng được phân tích với giả định rằng liên kết RF có kênh fading Rayleigh và liên kết FSO có kênh fading Gamma-Gamma, đồng thời kỹ thuật khuếch đại và khuếch đại chuyển tiếp cố định cũng đã được đưa ra trong phần này [33]. Một nghiên cứu khác tương tự cũng đã được thực hiện trong các hệ thống kết hợp RF/FSO với kênh fading Nakagami-m cho liên kết RF [129]. Ngoài ra, một mô hình hệ thống tương tự cũng đã được Samimi và nhóm tác giả nghiên cứu trong [61] và [129]. Tuy nhiên, không giống công trình trước đây [33], các tác giả giả định rằng liên kết FSO có kênh fading phân phối M thay vì kênh Gamma-Gamma. Bên cạnh đó, trong nghiên cứu này cũng đã chỉ ra được ảnh hưởng của sai số định hướng đến xác suất dừng. Trong một nghiên cứu khác [70] cũng đã phân tích hiệu năng của hệ thống kết hợp RF/FSO hai chặng trong các mạng có thể hạn chế nhiễu trong liên kết RF. Tương tự, ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh cũng được xem xét trong hệ thống kết hợp RF/FSO [37]. Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, hệ thống chuyển tiếp hai chặng nhiều người dùng qua các liên kết kết hợp RF / FSO cũng được nghiên cứu trong [107]. Trong mô hình hệ thống này, nhiều người dùng đồng thời truyền dữ liệu của họ đến nút chuyển tiếp 54 thông qua các liên kết RF. Nút chuyển tiếp này dựa trên kỹ thuật V-BLAST và giải mã-chuyển tiếp (DF) để giải mã từng luồng dữ liệu của người dùng. Các kỹ thuật chuyển tiếp, có thể được phân loại thành chuyển tiếp một chiều và hai chặng, được đề xuất cho cả hệ thống không dây RF và FSO. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu liên quan đến hệ thống kết hợp FSO/RF chỉ xem xét việc sử dụng chuyển tiếp một chiều [33][37][61][70][107][120][129]. Vì vậy, trong phần này luận án đề xuất áp dụng chuyển tiếp hai chiều (hoặc song hướng) cho các hệ thống kết hợp FSO / RF hai chặng. Tại nút chuyển tiếp, sử dụng chuyển tiếp DF dựa trên mã hoá mạng (NC) để thiết lập truyền thông hai chặng với giả định rằng tất cả các nút trong hệ thống kết hợp FSO/RF là bán song công. Nhờ sử dụng mã mạng NC, số lượng pha cần thiết để trao đổi hai gói tin giữa hai nút thông qua nút chuyển tiếp giảm từ 4 pha xuống 2 pha, từ đó thông lượng cải thiện là 100% [68]. Trong pha đầu tiên, Nút A và Nút B truyền dữ liệu của chúng (𝑆9 và 𝑆1) đến nút chuyển tiếp. Trong pha thứ hai, nút chuyển tiếp tạo thành một gói mã hóa mạng X𝑆? = 𝑓(𝑆9, 𝑆1)[ sau đó chuyển tiếp tín hiệu được mã hóa đến Nút A và Nút B. Trong phần này, sẽ nghiên cứu hiệu năng của hệ thống truyền dẫn hai chặng hai chiều kết hợp FSO/RF sử dụng mã hoá mạng được đề xuất trên các kênh đối xứng, và được mô hình hóa bởi các kênh fading Gamma-Gamma/Rice và Gamma-Gamma/Rayleigh. Ảnh hưởng của sai số định hướng đến liên kết FSO cũng được tính đến. Hiệu năng của hệ thống cũng được nghiên cứu trong mối quan hệ với tỷ lệ lỗi bit (BER) và xác suất dừng so với các tham số hệ thống khác như khoảng cách truyền và hiệu năng truyền. Trong phần này, luận án cũng trình bày về mô hình hệ thống truyền dẫn hai chặng hai chiều kết hợp FSO/RF sử dụng mã hoá mạng, giới thiệu các mô hình toán học của kênh FSO và RF từ đó rút ra biểu thức cho xác suất dừng, BER của hệ thống đề xuất và các kết quả phân tích hiệu năng. 55 2.3.2. Hệ thống truyền dẫn hai chặng hai chiều kết hợp FSO/RF sử dụng mã hoá mạng Một hệ thống truyền dẫn hai chặng hai chiều kết hợp FSO/RF sử dụng mã hoá mạng bao gồm hai nút (Nút A và Nút B) và nút chuyển tiếp (Nút R). Trong hệ thống kết hợp này, các liên kết A-R và R-B được coi là các liên kết FSO và RF tương ứng, với liên kết FSO được mô hình hoá bằng phân phối Gamma-Gamma và liên kết RF được mô hình hóa bằng phân phối Rayleigh/Rice. Nút R ở đây được xây dựng với mô hình mã hoá mạng NC và có khả năng lai ghép quang cùng RF bao gồm nguồn quang, bộ tách sóng quang và máy thu phát RF. Trong pha đầu tiên, Nút R nhận được tín hiệu từ Nút A và Nút B. Tín hiệu được truyền từ Nút A đư