Đề tài: Cấu trúc chức năng của hệ thống thông tin quang vô tuyền

EBOOKBKMT.COM
i
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG
CỦA HỆ THỐNG QUANG VÔ TUYẾN
FSO TRONG HỆ THỐNG GIAO THÔNG
THÔNG MINH ITS

EBOOKBKMT.COM
ii
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ....................................................................................................VIII
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................................. X
LỜI NÓI ĐẦU.......................................................................................................................XI
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ITS..................................................................................1
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG ..................................................................................................1
1.1.1 Khái niệm ITS.............................................................................................................................................1
1.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển.................................................................................................1
1.1.3 Cấu trúc cơ bản của ITS.....................................................................................................................2
1.1.3.1 Phương tiện giao thông thông minh............................................................3
1.1.3.2 Hạ tầng giao thông thông minh....................................................................5
1.1.4 Lợi ích của ITS...........................................................................................................................................7
1.2 HỆ THỐNG THÔNG TIN LIÊN LẠC TRONG ITS ...........................................9
1.2.1 Hệ thống thuyền dẫn..................................................................................................................9
1.2.1.1 Truyền dẫn vô tuyến....................................................................................9
1.2.1.2 Truyền dẫn hữu tuyến.................................................................................12
1.2.2 Hệ thống điều khiển .................................................................................................................14
1.2.2.1 Chức năng ....................................................................................................14
1.2.2.2 Công nghệ.....................................................................................................16
1.3 ITS Ở VIỆT NAM ...................................................................................................17
1.3.1 Các công trình đã đang thực hiện ..........................................................................................17

EBOOKBKMT.COM
iii
1.3.2 Các công trình sẽ thực hiện.........................................................................................................18
1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG ..........................................................................................19
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, CHỨC NĂNG, HOẠT ĐỘNG CỦA
HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÔ TUYẾN (FSO)............................................22
2.1 LỊCH SỬ RA ĐỜI CỦA FSO................................................................................22
2.2 MÔ HÌNH CẤU TRÚC.............................................................................................22
2.2.1 Các loại sóng ánh sáng ...................................................................................................................23
2.2.2 Các nguồn sáng được nghiên cứu và sử dụng trong FSO.......................................24
2.3 BỘ PHÁT ...................................................................................................................24
2.3.1 Chức năng ................................................................................................................................................24
2.3.2 Cấu tạo......................................................................................................................................................25
2.3.2.1 Sơ đồ khối.....................................................................................................25
2.3.2.2 Các thành phần trong khối.........................................................................25
2.3.3 Các thông số yêu cầu........................................................................................................................31
2.4 BỘ THU....................................................................................................................31
2.4.1 Chức năng ................................................................................................................................................31
2.4.2 Cấu tạo...............................................................................................................................................32
2.4.2.1 Sơ đồ khối.....................................................................................................32
2.4.2.2 Các thành phần trong khối.........................................................................32
2.4.3 Điều chế ....................................................................................................................................................34
2.4.4 Giải điều chế.............................................................................................................................................35
2.5 MÔI TRƯỜNG TRUYỀN .......................................................................................36

EBOOKBKMT.COM
iv
2.5.1 Mã hóa kênh truyền..........................................................................................................................38
2.5.2 Các mô hinh nhiễu loạn trên đường truyền....................................................................39
2.5.2.1 Mô hình nhiễu loạn log-normal..................................................................41
2.5.2.2 Mô hình nhiễu loạn gamma-gamma .........................................................44
2.5.3 Các hiện tượng và yếu tố ảnh hưởng lên đường truyền........................................46
2.5.3.1 Các hiện tượng..............................................................................................47
2.5.3.2 Các yếu tố ánh hưởng đến chất lượng kênh truyền. ...............................49
2.6. MỘT VÀI THÔNG SỐ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG ..............................................50
2.7 PHƯƠNG PHÁP CẢI THIỆN HIỆU NĂNG......................................................54
2.7.1 Sử dụng các phương pháp điều chế khác.........................................................................54
2.7.2 Kết hợp nhiều phương pháp ......................................................................................................55
2.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG .............................................................................................55
CHƯƠNG 3. KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA FSO TRONG ITS............................56
3.1 CÁC TÍNH TOÁN CHO VIỆC TRIỂN KHAI FSO TRONG ITS .....................56
3.1.1 Quy hoạch tuyến lắp trạm, trung tâm điều khiển..............................................56
3.1.2 Các thông số kỹ thuật của tuyến truyền ...........................................................................59
3.1.2.1 Tính toán thông số kỹ thuật........................................................................59
3.1.2.2 Chi phí lắp đặt, thời gian thi công.............................................................63
3.2 KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA FSO TRONG ITS..........................................65
3.2.1 So sánh với hệ thông vô tuyến điện và quang hữu tuyến .......................................65
3.2.2 Nhận xét......................................................................................................................................................66
3.2.3 Khuyến ghị, đề xuất...........................................................................................................................68

EBOOKBKMT.COM
v
3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG ..............................................................................................69
KẾT LUẬN ĐỀ TÀI ............................................................................................................73
1. TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỀ TÀI .................................................................................73
2. NHỮNG HẠN CHẾ CỦA ĐỒ ÁN .............................................................................73
3. HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN....................................................................74
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................76

EBOOKBKMT.COM
vi
DANH MỤC HÌNH VẼ
HÌNH 1-1: CẤU TRÚC ĐIỂN HÌNH CỦA ITS .................................................................... 2
HÌNH 1-2: PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG THÔNG MINH............................................. 4
HÌNH 1-3: MỘT VÀI THIẾT BỊ THÔNG TIN CƠ BẢN ĐƯỢC TÍCH HỢP TRÊN
PHƯƠNG TIỆN ........................................................................................................................ 5
HÌNH 1-4: HỆ THỐNG HẠ TẦNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG ................................. 6
HÌNH 1-5: HỆ THỐNG THÔNG TIN LIÊN LẠC KẾT HỢP VỚI HẠ TẦNG XÂY
DỰNG TRONG ITS ................................................................................................................. 7
HÌNH 1-6: TRẠM THU PHÁT SÓNG ĐIỆN TỪ CƠ BẢN................................................. 9
HÌNH 1-7: MẠNG VANET ĐƯỢC ỨNG DỤNG TRONG ITS ........................................ 11
HÌNH 1-8: MÔ HÌNH TRUYỀN NHẬN THÔNG TIN QUANG VÔ TUYẾN ................ 12
HÌNH 1-9: MÔ HÌNH TRUYỀN TIN BẰNG CÁP ĐỒNG TRỤC.................................... 13
HÌNH 1-10: ĐƯỜNG TRUYỀN CÁP QUANG GIỮA HAI TRẠM.................................. 14
HÌNH 1-11: MÔ HÌNH TRUNG TÂM ĐIỀU HÀNH ITS ................................................. 15
HÌNH 1-12: MÀN HÌNH HIỆN THÌ TRONG TRUNG TÂM ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU
GIAO THÔNG HÀ NỘI ........................................................................................................ 16
HÌNH 1-13: HỆ THỐNG ITS Ở CAO TỐC LONG THÀNH- DẦU GIÂY...................... 17
HÌNH 2-1: MÔ HÌNH CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA FSO.................................................... 23
HÌNH 2-2: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MÁY PHÁT ...................................................................... 25
HÌNH 2-7: SƠ ĐỒ KHỐI BỘ THU QUANG....................................................................... 32
HÌNH 2-8: ĐIỀU CHẾ KHÓA ĐÓNG MỞ OOK ............................................................... 35
HÌNH 2-9 SƠ ĐỒ KHỐI GIẢI ĐIỀU CHẾ QUANG TRỰC TIẾP................................... 36
HÌNH 2-10: MÔI TRƯỜNG TRUYỀN QUANG. ............................................................... 37

EBOOKBKMT.COM
vii
HÌNH 2-11: BIỂU DIỄN MÃ NRZ ....................................................................................... 39
HÌNH 2-12: HÀM MẬT ĐỘ LOG-CHUẨN VỚI E[I] =1 CHO DÃY GIÁ TRỊ CỦA 𝝈𝒍𝟐
................................................................................................................................................... 43
HÌNH 2-13: PHÂN BỐ GAMMA CHO NHIỄU LOẠN YẾU, TRUNG BÌNH, MẠNH . 46
HÌNH 3-1: SƠ ĐỒ QUY HOẠCH LẮP ĐẶT FSO TRÊN ĐỊA BÀN TRUNG TÂM
QUÂN 1.................................................................................................................................... 58
HÌNH 3-2: BĂNG THÔNG VÀ DUNG LƯỢNG KÊNH.................................................... 59
HÌNH 3-3: TỈ SỐ SNR TRONG MÔI TRƯỜNG NHIỄU NHIỆT.................................... 60
HÌNH 3-4: SNR TRONG MÔI TRƯỜNG CÓ NHIỄU LƯỢNG TỬ ............................... 61
HÌNH 3-5: SNR TRONG MÔI TRƯỜNG NHIỄU NỀN VÀ NHIỄU NHIỆT................. 62
HÌNH 3-6: ẢNH HƯỞNG CỦA BĂNG THÔNG LÊN BER ............................................. 63
HÌNH 3-7: ẢNH HƯỞNG CỦA KHOẢNG CÁCH LÊN CÔNG SUẤT THU................. 68

x
DANH MỤC BẢNG BIỂU
BẢNG 2-1: BẢNG LIỆT KÊ BƯỚC SÓNG CỦA 7 ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN ................ 23
BẢNG 2-2: MỘT SỐ NGUỒN QUANG............................................................................... 30
BẢNG 2- 3: BẢNG SO SÁNH GIỮA PIN VÀ APD............................................................ 33
BẢNG 2-4: BÁN KÍNH VÀ VÀ CÁC LOẠI TÁN XẠ CỦA MỘT SỐ HẠT TẠI BƯỚC
SÓNG 850NM.......................................................................................................................... 47
BẢNG 2-5: GIÁ TRỊ DÃI TẦM NHÌ TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN THỜI TIẾT.............. 48
BẢNG 3-1: SỐ LƯỢNG MÁY THU PHÁT QUANG CỦA MỖI TRẠM ........................ 64

xi
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, hệ thống giao thông thông minh là xu thế của cả thế giới. ITS là một hệ
thống giao thông mà ở đó người và phương tiện di chuyển sẽ biết được tất cả thông tin
tức thời về những vấn đề trong lộ trình của hành trình, từ đó tạo nên sự chủ động trong
việc đưa ra quyết định tối ưu trong quá trình tham gia giao thông. Sự thông minh tạo
nên sự hiện đại, thuận tiện, và mỹ quan cho giao thông đô thị. Để xây dựng nên hệ
thống giao thông thông minh thì các thành phần cấu thành nên nó cũng phải đảm bảo
tính thông minh, hầu hết chúng được ứng dụng một cách tối ưu sự phát triển của cuộc
cách mạng công nghiệp lần thứ 4.
Trong hệ thống giao thông thông mình, cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc đóng vai trò cực
kì quan trọng, đảm bảo cho thông tin dữ liệu được lưu thông một cách liên tục, an toàn
và nhanh nhất có thể. Để đáp ứng được các tiêu chí cho ITS, thì FSO (Free Space
Optical) - hệ thống truyền thông quang không dây là một lựa chọn tối ưu cho hạ tầng
truyền dẫn. FSO chỉ sử dụng các kết nối trực tiếp từ bộ phát đến bộ thu trong môi
trường không gian tự do. Do cự ly truyền dẫn xa, chịu ảnh hưởng nhiều của môi trường
truyền dẫn ngoài trời nên việc triển khai hệ thống FSO vẫn còn hạn chế. Các tuyến
FSO cự ly ngắn có thể sử dụng để thay thế cho các tuyến truyền dẫn vi ba nhằm cung
cấp mạng truy nhập băng rộng, sử dụng làm đường kết nối thay thế tạm thời cho các
tuyến cáp quang bị sự cố. Tuy nhiên, để có thể đáp ứng yêu cầu truyền thông băng
rộng, cự ly xa; hệ thống FSO cần vượt qua các thách thức đến từ những ảnh hưởng của
môi trường không gian tự do như suy hao truyền dẫn lớn và phụ thuộc môi trường,
thời tiết (sương mù, mưa, tuyết); sự thăng giáng cường độ tín hiệu và phân cực tín hiệu
do các ảnh hưởng của nhiễu loạn không khí và sự lệch hướng. Do ảnh hưởng của các
yếu tố nêu trên, hiệu năng của các hệ thống FSO còn bị hạn chế khi truyền dẫn số liệu
tốc độ cao, cự ly xa.

xii
Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, em đã chọn đề tài NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG
ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG QUANG VÔ TUYẾN FSO TRONG HỆ THỐNG
GIAO THÔNG THÔNG MINH ITS cho đồ án tốt nghiệp của mình. Nội dung đồ án
này được trình bày trong 3 chương và phần kết luận như sau:
Chương 1: Tổng quan về ITS. Trong chương này, đồ án sẽ giới thiệu về lịch sử ra
đời, các lợi ích nổi bậc và cấu trúc của hệ thống giao thông thông minh. Bên cạnh đó,
đồ án cũng giới thiệu về cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc của ITS, và khái quát về thực
tại của ITS ở Việt Nam.
Chương 2: Nghiên cứu cấu trúc, chức năng, hoạt động của hệ thống thông tin
quang vô tuyền (FSO). Trong chương này, đồ án sẽ giới thiệu mô hình cấu trúc của
FSO, các mô hình nhiễu loạn, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng đường truyền, các
thông số kĩ thuật đánh giá hệ thống, đồng thời trình bài một vài phương pháp cải thiện
chất lượng đường truyền.
Chương 3: Khả năng ứng dụng của FSO trong ITS. Nội dung chính của chương này
là thực hiện xây dựng một hệ thống truyền thông quang không dây trong một khu vực
giao thông cụ thể. Việc tính toán bao gồm chi phí, các thông số kỹ thuật, vị trí lắp đặt.
Đồng thời sẽ so sánh chúng với hệ thống truyền dẫn vô tuyến điện và quang sợi.
Phần kết luận: phần này, đồ án tóm tắt những nội dung chính đã thực hiện được,
đồng thời nêu lên những hạn chế chưa giải quyết để đưa ra hướng nghiên cứu tiếp theo.
Đồ án này là kết quả của quá trình tìm hiểu, học tập, nghiên cứu, và chọn lọc nội dung
kiến thức dựa trên những nghiên cứu của các bài báo, tạp chí, công trình nhiên cứu
khoa học được công bố quốc tế. Trong quá trình đọc, nếu phát hiện các điểm chưa
đúng hoặc thiếu sót, thì rất mong nhận được sự góp ý, đánh giá của mọi người.
Xin chân hành cảm ơn.

/77
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA QUANG VÔ TUYẾN FSO
TRONG HỆ THỐNG GIAO THÔNG THÔNG MINH ITS
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ITS
1.1 Giới thiệuchung [2, 5, 6]
1.1.1 Khái niệm ITS
ITS là viết tắt của cụm từ Intelligent Transport System (hệ thống giao thông thông
minh). Hệ thống giao thông thông minh là một hệ thống giao thông chủ động; kết nối
toàn diện, đồng bộ giữa cơ sở hạ tầng xây dựng bao gồm hệ thồng đường sá, đèn giao
thông, đèn chiếu sáng, bảng quang báo, trạm thu phí, với các thành phần tham gia giao
thông (phương tiện cá nhân, phương tiện công cộng, phương tiện chuyên dụng, người
đi bộ) thông qua việc ứng dụng khoa học, công nghệ hiện đại. Nếu được áp dụng một
cách đúng đắn, và rộng rãi thì ITS hoàn toàn có khả năng giải quyết các vấn đề nhứt
nhối trong giao thông hiện nay tại các thành phố lớn nhất là nạn ùn tắt, tai nạn giao
thông và ô nhiễm môi trường, đồng thời giúp các cơ quan quản lý nắm rành mạch tình
hình giao thông trong khu vực trách nhiệm từ đó nhanh chóng, dễ dàng thực hiện công
tác giải quyết vấn đề, sự cố giao thông.
1.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển
Hệ thống giao thông thông minh xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1980 ở Nhật. Đến năm
1993 hội nghị mang tầm vốc quốc tế đầu tiên về ITS được tổ chức, thu hút sự tham gia
của các chuyên gia về giao thông cùng với các nhà sản xuất, chế tạo phương tiện giao
thông từ nhiều nước trên thế giới. Kể từ sau đó ITS đã sử dụng thành quả của các
ngành công nghệ liên quan để giải quyết các vấn đề về giao thông, trong đó đáng chú ý
là ngành điện tử viễn thông, công nghệ thông tin, và xây dựng. Kế hoạch nghiên cứu và
xây dựng ITS được thực hiện ở nhiều quốc gia phát triễn với nhiều lĩnh vực tiếp cận,

/77
áp dụng. Đơn cử là tự động hóa các trạm thu phí, cung cấp thông tin cho người tham
gia giao thông, quản lí các trục đường chính và các trục đường cao tốc, vận hành và
khai thác có hiệu quả các công trình giao thông công cộng như xe buýt, tàu điện ngầm,
hệ thống đèn giao thông. Cùng với đó là sự hiện đại và tính tự động ngày càng cao
trong phương tiện di chuyển, đặc biệt là ô tô. Các nước cũng bắt đầu thành lập các
trung tâm điều hành ITS, những trung tâm này thực hiện các nhiệm vụ như thu thập dữ
liệu từ mạng lưới giao thông cung cấp cho các phương tiện tham gia giao thông; nghiên
cứu, xử lí cơ sở dữ liệu để đầu tư phát triển ITS, xác lập giải pháp hữu hiệu cho người
tham gia giao thông.
Đến năm 2008, hội nghị ITS quốc lần thứ 15 được tổ chức tại NewYork (Mỹ) đánh dấu
cột mốc phát triển mới của ITS, tại đây nhiều công trình nghiên cứu và các thiết bị, hệ
thống tiên tiến, hiện đại được giới thiệu nhằm giải quyết các vấn đề cũ như kẹ xe, giảm
tai nạn, và các vấn đề mới là bảo vệ môi trường.
1.1.3 Cấu trúc cơ bản của ITS
Hình 1-1: Cấu trúc điển hình của ITS [5]
Một hệ thống giao thông thông thường gồm ba yếu tố cơ bản, đó là con người, phương
tiện giao thông, và hạ tầng giao thông. Ở hệ thống naỳ thì con người đóng vai trò vận

/77
hành chính, các điều kiện an toàn ở chế đô thụ động, bảo vệ, giảm hậu quả là chính.
Trong hệ thống giao thông thông minh, thì thành phần cấu thành cũng gồm ba yếu tố
trên, thế nhưng phương tiện giao và hạ tầng giao thông trở nên thông minh hơn, chuyển
từ chế độ bảo vệ và hệ thống an ninh thụ động sang hướng phòng ngừa và các hệ thống
an toàn chủ động. Qua đó xóa bỏ dần sự điều khiển của con người, tiến dần đến một
môi trường giao thông mang tính tự động hóa cao. Khí đó yếu tố cốt lõi của hệ thống
giao thông thông minh là phương tiện giao thông thông minh và hạ tầng giao thông
thông minh. Cấu trúc của ITS được thể hiện một cách tương đối trực quan thông qua
Hình 1-1. Hình này đã cho thấy được sự kết nối giữa các phương tiện tham gia giao
thông với nhau, giữa phương tiện với đường sá, và giữa phương tiện với các khu vực
công cộng như bệnh viện, trạm nhiên liệu, bãi đỗ xe. Thông tin về những đối tượng
trên được thu thập và truyền đi nhờ những trạm thu phát sóng đặt dọc theo các thuyến
đường và trên các phương tiện.
1.1.3.1 Phương tiện giao thông thông minh
Phương tiện giao thông thông mình là một phần quan trong trong ITS, một phương tiện
giao thông thông minh phải đảm bảo tiêu chuẩn cao về vấn đề an toàn, chủ động trong
tiếp nhận, xử lý và truyền tải thông tin.
Một phương tiện thông minh, bên cạnh những hệ thống an toàn được các hãng tích hợp
trên xe thì các phương tiện phải được tích hợp thêm các thiết bị có thể truyền nhận tin
với hệ thống mạng hạ tầng, và với các phương tiện khác. Tùy theo hệ thống thông tin
liên lạc là quang hay vô tuyến mà thiết bị được tích hợp trong xe được thiết kế, lựa
chon cho phù hợp. Thể hiện qua các mặt sau:
- Về mặt an toàn, các phương tiện phải được tích hợp các hệ thống cảnh báo va
chạm, cảnh báo người lái, hệ thống chóng va chạm tự động .

/77
Hình 1-2: Phương tiện giao thông thông minh [6]
- Về mặt tiếp nhận thông tin, các phương tiện phải có hệ thống màn hình hiển thị và
âm thanh sẳn sàn cho việc phản ánh thông tin nhanh chóng đến láy xe để xử lý kịp
thời các sự vố, vấn đề khi tham gia giao thông.
- Về mặt thông tin liên lạc thì các thiết bị mạng phải đảm bảo sao cho kết nối luôn
được dùy trì, liên tục, nhanh và ổn định để đảm bảo thông tin được truyền nhận có
hiệu quả. Đối với các hệ thống giao thông cộng cộng như xe buýt, tàu điện, và taxi
thì người ta còn tích hợp thêm các thiết bị quản lý và kết nối thông minh với hành
khách thông qua các ứng dụng di động và với các trạm truyến để khai thác tối đa
hiệu quả của các tuyến xe công cộng.
- Vài bộ phận tiên tiến được lắp đặt trên phương tiện để tạo ra một chiếc xe thông
minh được biểu diễn như trong Hình 1-3. Trong hình này, Forward Radar và Rear
Radar là 2 thiết bị dò tìm và định vị đặt ở phía trước (Forward Radar) và phí
sau(Rear Radar) xe.

/77
Hình 1-3: Một vài thiết bị thông tin cơ bản được tích hợp trên phương tiện [6]
Hai thiết bị này có nhiệm vụ định vị, đo khoảng cách là lập bản đồ các vật thể, và
phương tiện đang ở gần. Phần màn hình hiển thị (Display) giữ nhiệm vụ hiển thị các
thông số quan trọng của xe và những thông số thu thập được từ các Radar hay cảm
biến. Hệ thống định vị (Position System) có thể ứng dụng công nghệ GPS để định vị vị
trí của xe trong tuyến đường. Hay thiết bị ghi dữ liệu hành trình (Event Data Recorder)
và máy tính xử lý chính (Computing Platform).
1.1.3.2 Hạ tầng giao thông thông minh
Có thể chia hạ tầng giao thông thông minh thành 2 thành phần, thứ nhất là công trình
xây dựng giao thông, thứ 2 là hạ tầng thông tin liên lạc.
Một hạ tầng giao thông được cho là thông minh thì phải có hệ thống đường sá thông
suốt, kết nối mạch lạc với nhau, các hệ thống tín hiệu, bảng báo, đèn chiếu sáng, đèn
giao thông phải hoạt động một cách chủ động, có hiệu quả, phù hợp với tình hình giao
thông liên tục biến đổi, đảm bảo luồng giao thông luôn được thông suốt.

/77
Hai hạ tầng công trình giao thông tương đối hiện đại được thể hiện qua Hình 1-4.
Trong hình này, hai làn đường có chữ BRT là 2 tuyến đường xe buýt nhanh, làm tăng
khả năng hoạt động và tốc độ của xe buýt. Bên cạnh đó là những mảng xanh từ cây và
cỏ đóng vai trò thiết thực trong bỏ vệ môi trường khỏi khói bụi giao thông, cũng như
làm tăng tính mỹ quang cho hệ thống giao thông.
Hình 1-4: Hệ thống hạ tầng công trình giao thông [2]
Đồng thời, hạ tầng giao thông thông minh thì phải kết nối được với phương tiện giao
thông, phục vụ có hiệu quả cho các phương tiện khi tham gia giao thông. Để làm được
điều đó thì không thể thiếu hệ thống thông tin liên lạc. Có thể nói rằng hệ thống thông
tin liên lạc là nền tảng, là xương sống của hệ thống giao thông thông minh. Nhiệm vụ
chính của hệ thống thông tin liên lạc là đảm bảo sự kết nối thông suốt, liên tục và chính
xác tình hình giao thông giữa các phương tiện và hạ tầng. Việc kết hợp giữa hạ tầng
công trình xây dựng và hạ tầng thông tin liên lạc được thể hiện cơ bản như Hình 1-5.
Trong hình này, các module thu phát sóng giữ vai trò thu nhận tín hiệu từ các máy ghi
hình, hay ở các trụ đèn giao thông, sau đó trung tâm xử lý tín hiệu sẽ phát đi những

/77
thông điệp nhằm mục đích điều khiển hay thông tin cho các phương tiện tham gia giao
thông.
Hình 1-5: Hệ thống thông tin liên lạc kết hợp với hạ tầng xây dựng trong ITS [2]
1.1.4 Lợi íchcủa ITS
Giao thông thông minh đang là xu hướng của các hệ thống giao thông trên toàn thế
giới, những quốc gia có hệ thống giao thông thông minh đã giải quyết được các vấn đề
về ùn tắt giao thông, giảm thiểu đáng kể tình hình tai nạn giao thông. Vấn đề ô nhiễm
môi trường do khí thải từ các phương tiện cũng giảm đáng kể, do các công nghệ thiết
kiệm nhiên liệu được áp dụng lên các phương tiện, sử dụng nhiên liệu sạch để vận hành
xe, đồng thời giảm thời gian phương tiện hoạt động trên đường do giảm kẹt xe và khả
năng hoạch định đường đi tối ưu của hệ thống. Cụ thể những lợi ích được trình bày qua
7 phần như sau:
Một là cung cấp thông tin cho người tham gia giao thông như trước chuyến đi chúng ta
có thể cập nhật tình hình giao thông trong những khu vực mà ta sẽ đi, từ đó hoạch định

/77
ra lộ trình tối ưu nhất. Đồng thời trong suốt quá trình tham gia giao thông, tình hình
giao thông sẽ được cập nhật một cách liên tục (vị trí trạm thu phí, khu vực lưu lượng
giao thông đông đú, khu vực đang ùn tắt, tai nạn giao thông, cảnh báo giao thông) từ
đó hệ thống sẽ định ra lộ trình thay thế để sự di chuyển được liên tục.
Hai là vận hành và quản lí giao thông cụ thể là quản lí các vấn đề vận tải; quản lí, bảo
dưỡng cơ sở hạ tầng giao thông; duy trì trật tự, ổn định giao thông; quản lí nhu cầu sử
dụng hạ tầng giao thông.
Ba là lợi ích dành cho phương tiện, các hệ thống thông minh trên xe cùng với ITS sẽ
giúp phương tiện mở rộng tầm nhìn từ nhìn xa, nhìn chi tiết tới nhìn trong đêm hay
trong điều kiện thời tiết xấu; nâng cao tính an toàn bằng các cảm biến giúp báo trước
va chạm.
Bốn là cung cấp dịch vụ chi trả điện tử: bằng hình thức thu phí này, tình trạng ùn tắt
kéo dài tại các trạm thu phí vào giờ cao điểm sẽ không còn, vì các phương tiện qua
trạm thu phí không cần dừng lại đóng phí, mà sẽ chi trả qua hình thức thanh toán điện
tử trả sau. Các bãi đỗ xe cũng sẽ áp dụng biện pháp đậu đỗ xe tự động và thanh toán
sau để giảm chi phí nhân sự và không mất thời gian thu-trả phí.
Năm là cải thiện dịch vũ cứu hộ cứu nạn giao thông, hệ thống quan sát khi phát hiện có
tai nạn thì lập tức sẽ phát tín hiệu báo động về trung tâm giám giát điều khiển, ở đây
các phương tiện cứu hộ sẽ được điều động đến ngay lập tức.
Sáu là hệ thống cũng sẽ tạo cảnh báo, phân luồng tự động cho các phương tiện xung
quanh và tạo điều kiện cho phương tiện cứu hộ có thể di chuyển nhanh nhất có thể.
Phát hiện xử lí vi phạm giao thông tự động: các phương tiện khi vi phạm các lỗi như
vượt đèn đỏ, đi sai làn đường, chạy quá tốc độ, không sử dụng đèn tín hiệu, và xe quá
tải sẽ được tự động ghi nhận, và gởi thông báo vi phạm về cho chủ phương tiện để tiến
hành thu phạt.

/77
Bảy là hỗ trợ thu dữ phương tiện bị trộm cướp, khi một phương tiện bị mấp cấp, chủ
phương tiện sẽ phát đi một cảnh báo, hệ thống ITS sẽ ghi nhận thông báo, và tìm kiếm
phương tiện trên toàn hệ thống quan sát, đồng thời phát cảnh báo cho các lực lượng
chức năng cũng như các phương tiện khác trong khu vực xe bị mất cấp đang hiện diện.
1.2 Hệ thống thông tin liênlạc trong ITS [3, 4, 5, 6]
1.2.1 Hệ thống thuyền dẫn
1.2.1.1 Truyền dẫn vô tuyến
Hình 1- 6: Trạm thu phát sóng điện từ cơ bản
Mô hình cấu trúc thu phát sóng điện từ được mô tả như trong Hình 1-6. Trong hình
này, trạm A sẽ phát sóng có màu nhạt hơn và nhận sóng có màu đậm, trạm B sẽ phát
sóng có màu đậm hơn và nhận sóng có màu nhạt từ trạm A. Khoảng cách truyền giữa
hai trạm có thể rất xa, thông thường là hàng chục kilomet.
1. Sóng điện từ
Trạm A Trạm B

/77
Về mặt thông tin liên lạc, đối với các hệ thống truyền nhận tin hiện tại và truyền thống
thì thông tin được truyền chủ yếu trên nền sóng điện từ. Một số công nghệ sóng điện
từ được ứng dụng trong ITS được trình bài như mô tả ở phần tiếp theo.
Công nghệ nhận dạng tần số sóng vô tuyến RFID (Radio Frequency Identification) đây
là công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến, cho phép một thiết bị đọc thông
tin chứa trong chip ở một khoảng cách xa, mà không cần tiếp xúc. RFID sử dụng băng
thông của 4 tần số chính, đó là tần số thấp LF (Low Frequency) dãi tần trong khoảng
30-300 KHZ, tần số cao HF (High Frequency) dãi tần trong khoảng 3-30 MHZ, tần số
cực cao UHF (Ultra High Frequency) dãi tần trong khỏang 300 MHZ- 3 GHZ hoặc tần
số viba(3-30GHZ). Trong hệ thống giao thông thông minh, nó được sử dụng để thực
hiện thu phí tự động tại các trạm thu phí, hay giám sát các phương tiện.
Mạng dùng để kết nối phương tiện với phương tiện V2V (Vehical to Vehival) dành cho
truyền nhận thông tin giữa các phương tiện thông qua giao thức định tuyến của mạng
VANET (Vehicular Ad hoc NETwork)- một mạng tích hợp trên ô tô , chuyên dùng để
kết nối dữ liệu giữa ô tô với nhau. Với mạng này, mỗi phương tiện tham gia giao thông
được coi là một node, các thông tin về vị trí, tốc độ, hướng di chuyển của các phương
tiện sẽ được trao đổi liên tục cho nhau trong phạm vi bán kính khoảng 300m. Mạng
này sử dụng băng thông 75MHz của băng tần 5.9GHz .
Mạng VANET ứng dụng trong giao thông thông minh được mô tả như trong Hình 1-6.
Trong hình này, những chiếc xe ô tô được lắp đặt một mạng kết nối V2V. Đồng thời
nhà ga với tàu điện hay xe buýt với trạm dừng cũng có thiết lập kết nối để hành khách
có thể nắm bắt được thông tin của chuyến tàu. Các phương tiện với các tín hiệu giao
thông (Traffic Signs), hệ thống cảnh báo an toàn (Safety System).

/77
Hình 1-7: Mạng VANET được ứng dụng trong ITS [6]
Các thế hệ mạng di động 3G, 4G (Third-Generation và Fourth- Generation). Đây lần
lượt là công nghệ truyền thông thế hệ thứ 3 và thứ 4. Đối với mạng 3G thì tốc độ tải
xuống và tải lên trong thực tế lần lượt là 3Mbps và 0.4Mbps. Còn với mạng 4G LTE
thì tốc độ tải xuống/lên trong thực tế lần lượt là 14Mbps và 8Mbps. Người tham gia
giao thông có thể sử dụng những thế hệ mạng này để truy cập nhanh các ứng dụng của
giao thông thông minh như kích hoạt hệ thống định vị toàn cầu GPS và sử dụng các
tiện ích về giao thông công cộng, cũng như tình trạng giao thông, bản đồ.
Đối với hệ thống mạng lõi, người ta sử dụng hệ thống thông tin vi ba và vệ tinh để thực
hiện truyền nhận thông tin giữa các trạm với trung tâm điều phối chính.
2. Truyền dẫn quang
Một trong những đòi hỏi khắc khe của hệ thống giao thông thông minh là vấn đề tiếp
nhận thông tin trên thời gian thực, thộng tin gửi đi từ một hệ thống này đến một hệ
thống khác phaỉ gần như là ngay lập tức, thời gian trễ phại cực kì thấp để đáp ứng được

/77
việc tình hình giao thông thay đổi nhanh và liên tục. Để thực hiện được yêu cầu trên thì
đòi hỏi phải có loại hình truyền dẫn mới, đó là quang vô tuyến,
Hình 1-8: Mô hình truyền nhận thông tin quang vô tuyến [4]
Thông tin thu thập được từ các cảm biến, thiết bị ngoại vi đặt trên các tuyến đường, sau
đó truyền đi đến các trạm thu phát, từ các trạm này, thông tin sẽ được truyền đi đến
trung tâm điều phối chính. Đường truyền sẽ ngược lại cho quá trình truyền tín hiệu
điều khiển, thông tin giao thông từ trung tâm điều hành tới các đơn vị, khu vực khi cần
thiết. Mô hình truyền-nhận thông tin quang vô tuyến được thể hiện qua Hình 1-7.
Trong hình này, ta có thể thấy được 2 thiết bị thu phát quang vô tuyến truyền tin cho
nhau giữa 2 điểm. Khoảng cách truyền và môi trường truyền sẽ ảnh hưởng đến tốc độ
và chất lượng của kênh truyền.
1.2.1.2 Truyền dẫn hữu tuyến
1 Cáp kim loại
Cáp kim loại là loại cáp được sử dụng rất nhiều trong truyền thông (UTP và STP),
nhưng đối với truyền dẫn trong hệ thống giao thông thông minh thì nó rất ít được sử

/77
dụng vì độ suy hao cao, tốc dộ truyền thấp, khó đáp ứng các yêu cầu về tốc độ của
mạng trong ITS, bảo mật thông tin kém, khó khăn trong trong việc thi công hạ tầng
truyền dẫn vì nó chỉ có thể truyền tối đa 500m để đảm bảo sự ổn định đường truyền, nó
chỉ được sử dụng trong kết nối các thiết bị với khoảng cách ngắn, không ảnh hưởng
nhiều đến hiệu suất đường truyền.
Hình 1-9: Mô hình truyền tin bằng cáp đồng trục [4]
Mô hình truyền dữ liệu bằng cáp đồng được mô tả như Hình 1-9. Trong hình này, sợi
cáp đồng sẽ truyền tải dữ liệu vào modem SHDSL tín hiệu vào modem sẽ được điều
chế để truyền đi hay được giải điều chế để khôi phục lại tín hiệu gốc.
2 Cáp quang
Hiện nay, cáp quang được sử dụng rộng rãi nhất trong hạ tầng thông tin liên lạc của hệ
thống giao thông thông minh. Phần lớn các nước đều sử dụng cáp quang cho việc
truyền tải thông tin trong ITS trong đó có Việt Nam. Cáp quang được sử dụng phổ biến
là do ưu điểm vượt trội của nó so vơi các loại truyền dẫn khác (điện từ và cáp đồng).
Về tốc độ, cáp quang có thể đạt tới 10Gbps về mặt công nghệ, khoảng cách truyền tối
đa cũng rất xa, khoảng 10Km. Cáp quang có độ bảo mật cao, do được chế tạo từ sợi
thủy tinh, tín hiệu truyền là ánh sáng nên hầu như không bị đánh cấp thông tin trên
đường truyền. Thêm đặc tính nữa là cáp quang không dẫn sét, nên có thể đảm bảo an
toàn cho dữ liệu. Đồng thời suy hao đường truyền thấp, không bị suy hao trong điều
kiện thời tiết xấu.

/77
Hình 1-10: Đường truyền cáp quang giữa hai trạm [4]
Mô hình truyền cáp quang giữa 2 điểm được thể hiện qua Hình 1-10. Trong hình này,
sợi quang được kết nối với bộ chuyển đổi quang –điện và điện-quang được đặt ở 2 đầu
sợi quang, có chức năng chuyễn đổi qua lại tín hiệu quang và điện. Ánh sáng chứa dữ
liệu được truyền trong sợi quang, sợi quang có thể được đặt trên cao, hay rong lòng đất,
đối với các tuyến các đường trục, mạng lỗi, thì sợi cáp thường được đặt trog lòng đất
để hạn chế các tác động vật lý bên ngoài lên sợi quang, cũng như để hạn chế mất mác
và đảm bảo mỹ quan.
1.2.2 Hệ thống điều khiển [3, 5, 6]
1.2.2.1 Chức năng
Trung tâm kiểm soát: trung tâm đảm nhận tất cả thông tin thu thập được từ các trạm, ở
đây mọi thông tin sẽ được giám sát, phân tích. Dựa vào đây, hệ thống có thể thục hiện
chức năng điều khiển từ xa các tín hiệu đèn giao thông, nội dung bảng thông báo, hệ
thống đèn chiếu sáng trong hệ thống ITS. Với việc giám sát tình hình giao thông liên
tục, trung tâm điều khiển có thể chủ động phản ứng nhanh khi có các sự cố giao thông.
Đồng thời cung cấp tình hình giao thông liên tục cho các phương tiện đang và sẽ tham
gia giao thông. Người dùng có thể biết được tình hình thời tiết, lưu lượng giao thông,

/77
thông tin trạm thu phí, trạm nhiên liệu, trong suốt tuyến đường mà phương tiện sẽ đi.
Ngoài ra hệ thống cũng sẽ thông qua các thiết bị ngoại vi phát hiện những sai phạm của
các phương tiện khi tham gia giao thông.
Mô hình của trung tâm điều khiển được mô tả một cách cơ bản như Hình 1-11. Trong
hình này, phần điều hành giao thông đóng vai trò là nơi tổng hợp và xử lý thông tin
giao thông từ tất cả cáo nguồn gởi về. Hai nguồn thông tin chính được sử dụng đó là
cổng thông tin công cộng, tức là lấy thông tin từ người dân, và thông tin từ các thiết bị
thu thập. Đồng thời làm nhiệm vụ điều hành giao thông, phân tích, dự báo giao thông,
điều khiển tín hiệu giao thông.
Hình 1- 11: Mô hình trung tâm điều hành ITS [5]

/77
1.2.2.2 Công nghệ
Hệ thống điều khiển trung tâm là nơi tập trung tất cả thông tin và giải quyết chúng một
cách nhanh chóng, hiệu quả, nên phải có đòi hỏi về chất lượng và tính chuyên dụng của
các thiết bị rất cao. Với màn hình hiển thì thì phải là màn hình có khả năng họat động
24/7, độ bền cao, góc nhìn rộng, hiển thị sắc nét, ít tiêu hao năng lượng.
Hệ thống màn hình chuyên dụng được giới thiệu như trong Hình 1-12. Trong hình này,
có một màn hình lớn, đó là màn hình được ghép từ các màn hình nhỏ, các màn hình
nhỏ cũng có khả năng hiển thị thông tin, hình ảnh độc lập, tùy vào mục đích sử dụng
mà ác màn hình có thể ghép lại hoặc tách ra riêng biệt.
Hệ thống máy tính tốc độ cao, cấu hình phải đảm bảo việc giải quyết, tiếp nhận thông
tin nhanh chóng. Đồng thời có hệ thống sao chép dữ liệu hoạt động song song với hệ
thống vận hành chính để chắc chắc rằng dữ liệu sẽ không bị mất, kết nối không bị ngắt
khi có sự cố ở hệ thống chính.
Hình 1-12: Màn hình hiện thì trong trung tâm điều khiển tín hiệu giao thông Hà Nội [3]

/77
1.3 ITS ở Việt Nam [5]
1.3.1 Các công trình đã đang thực hiện
Mặc dù ITS đã được ứng dụng rộn rãi, sâu sắc từ lâu trên thế giới, nhưng ở Việt Nam
thì nó vẫn còn mới mẽ và mờ nhạt. Ứng dụng ITS mới nhất ở Viết Nam là giải pháp
cho đường cao tốc. Một trung tâm điều hành giao thông thông minh cho đường cao tốc
Bắc –Nam vừa được khánh thành, đi vào khai thác tuyến cao tốc Long Thành – Dầu
Giây, hệ thống này bao gồm các trạm thu phí điện tử, các hệ thống giám sát thiết bị và
điều khiển giao thông. Hệ thống gồm 16 camera giám sát (CCTV) và 52 camera có
chức năng quan sát thăm dò xe, cảnh báo tốc độ phương tiện và nhiều hệ thống thông
tin hiện đại. Hệ thống thông tin liên lạc không dây, 8 bảng thông tin khả biến cùng hệ
thống bộ đàm liên lạc nội bộ giúp nâng cao hiệu quả việc trao đổi thông tin, phối hợp
kiểm soát điều hành giao thông trên cao tốc, tổng mức đầu tư toàn bộ gói thầu ITS vào
khoảng 800 tỷ đồng.
Hình 1-13: Hệ thống ITS ở cao tốc Long Thành- Dầu Giây [5]

/77
Tại Hà Nội, ITS được ứng dụng trên quốc lộ 3 mới, đường vành đai 3 (Mai Dịch -
Thanh Trì), đường Láng - Hòa Lạc, Pháp Vân - Cầu Giẽ, Cầu Giẽ - Ninh Bình, quốc lộ
1 (Hà Nội - Bắc Ninh) và quốc lộ 18 (Nội Bài - Bắc Ninh). Trong năm 2017 triển khai
4 hợp phần, gồm: hệ thống giám sát và thu thập thông tin giao thông; hệ thống thông
tin giao thông; hệ thống quản lý kết cấu hạ tầng giao thông; và hệ thống quản lý vận tải
hành khách công cộng bằng xe buýt. Cụ thể, từ tháng 6 đến tháng 11-2017, xây dựng
hệ thống giám sát và thu thập thông tin giao thông (từ hệ thống camera giám sát và
thiết bị GPS). Hệ thống thông tin giao thông, với bản đồ giao thông và tích hợp dữ liệu,
ứng dụng di động, cổng thông tin giao thông tập trung và hệ thống quản lý kết cấu hạ
tầng giao thông.
Ngoài ra kênh radio VOV giao thông đã được thành lập gồm 1 máy phát ở Hà Nội phủ
một vùng 200km và 2 máy phát tại Tp.Hồ Chí Minh phủ sóng 300km. Kênh là trung
tâm tiếp nhận tình hình giao thông như kẹt xe, tai nạn, tắt đường, và được phát trực tiếp
đến các phương tiện có kết nối với đài, nhằm giảm tránh ùn tắt giao thông.
1.3.2 Các công trình sẽ thực hiện
Trong tương lai, Việt Nam sẽ hoàn thành tuyến cao tốc được cho là xương sống của cả
nước đó là cao tốc Bắc-Nam, tuyến cao tốc này sẽ được quản lý bằng các hệ thống
thông minh, và nó sẽ là công trình đển hình cho hệ thống giao thông thông minh ở Việt
Nam. Đồng thời hệt thống giao thông thông minh sẽ được mở rộng và phủ toàn bộ 3
thành phố lớn là Hà Nội, Đà Nẵng và Hồ Chí Minh. Sau đó sẽ lan dần đến các đường
quốc lộ và tỉnh lộ của khu vực phía Nam.
Tuy nhiên, hệ thống giao thông thông minh ở Việt Nam trước mắt chỉ dừng lại ở vài
chức năng cơ bản vì cơ sở hạ tầng công trình giao thông cũ kĩ, không đồng bộ, sử dụng
phương tiện xe máy công cộng là chủ yếu, ít sử dụng phương tiện công cộng. Để hệ
thống giao thông thông minh được triển kai sâu, rộng, thì chính quyền ở 2 thành phố

/77
lớn nhất nước là Hà Nội và Hồ Chí Minh sẽ tiến hành ban hành các quy định, cũng như
phát triển hệ thống phương tiện công cộng để người dân chuyển sang sử dụng phương
tiện công cộng nhiều hơn.
1.4 Kết luận chương
Một cách ngắn gọn, chương này đã trình bày phần nào về công nghệ, cấu trúc của ITS
và những ứng dụng, hiệu quả tích cực đến đáng ngạc nhiên mà nó đem lại cho sự phát
triển kinh tế, sự thuật lợi trong di chuyển và cho môi trường ở những nơi mà nó được
xây dựng.

/77
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, CHỨC NĂNG, HOẠT ĐỘNG CỦA
HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÔ TUYẾN (FSO)
2.1 Lịch sử ra đời của FSO [8,10, 12, 20, 24]
FSO là viết tắt của cụm từ Free Space Optic (quang vô tuyến), ban đầu được phát triển
bởi quân đội và NASA, FSO đã được sử dụng trong hơn ba thập kỷ với nhiều hình thức
khác nhau để cung cấp các liên kết truyền thông nhanh chóng giữa những khu vực xa.
LightPointe có nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực này: các nhà khoa học của họ đã xây
dựng các phòng thí nghiệm để phát triển các hệ thống FSO đầu tiên ở Đức vào cuối
những năm 1960, ngay trước cả sự ra đời của cáp quang. Nhà khoa học của
LightPointe được coi là "cha đẻ của công nghệ FSO". Sau đó trong khi truyền dẫn cáp
quang đã được chấp nhận trên toàn thế giới trong ngành viễn thông thì truyền thông
FSO vẫn được coi là tương đối mới. Công nghệ FSO cho phép truyền tải băng thông
tương tự như sợi quang, sử dụng các thiết bị phát và thu quang tương tự và thậm chí
cho phép các công nghệ tương tự WDM vận hành qua không gian tự do.
2.2 Mô hình cấu trúc [9, 10, 14, 15, 19]
FSO là hệ thống tuyền thông không dây, dữ liệu được truyền đi bằng ánh sáng trong
môi trường không gian tự do. Mô hình cấu trúc cơ bản của FSO được thể hiện như
trong Hình 2-1. Trong hình này thiết bị 2 màu xanh là thiết bị xử lí tín hiệu, 2 thiết bị
màu vàng là thấu kính, hai dùng để thu - phát ánh sáng, mỗi bộ thu phát gồm 2 thành
phần chính là bộ xử lý tín hiệu là thấu kính. Hai vầng sáng màu vàng và xanh là ánh
sáng được truyền đi trong môi trường không khí.

/77
Hình 2- 1: Mô hình cấu trúc cơ bản của FSO [10]
Bộ thu/phát bên trái truyền ánh sáng màu đỏ và nhận ánh sáng màu xanh còn bộ
thu/phát bên phải thì ngược lại, truyền ánh sáng màu xanh và nhận ánh sáng màu đỏ.Về
cơ bản, một hệ thống quang vô tuyến gồm 3 phần chính là máy phát quang, môi
trường không gian tự do, và máy thu quang.
2.2.1 Các loại sóng ánh sáng
Ánh sáng trắng là tổng hợp của các ánh sáng đơn sắc mà ta có thể nhìn thấy. Các ánh
sáng đơn sắc nối liền với nhau thành 1 dãy liên tục theo thứ tự: đỏ-cam-vàng-lục-lam-
chàm-tím. Mỗi ánh sáng đơn sắc có bước sóng khác nhau.
Bảng 2-1: Bảng liệt kê bước sóng của 7 ánh sáng khả kiến [9]
MÀU SẮC BƯỚC SÓNG TRONG CHÂN KHÔNG(micromet)
Đỏ 0.64-0.76
Cam 0.59-0.65
Vàng 0.57-0.6
Lục 0.5-0.575
Lam 0.45-0.51
Chàm 0.43-0.46
Tím 0.38-0.44
Bộ
phát
/thu Kênh truyền không khí
Bộ
thu/
phát

/77
Bảng 2-1 liệt kê các khoảng bước sóng của 7 ánh sáng khả kiến tiêu biểu, mỗi bước
sóng sẽ cho 1 tần số, vì vậy có thể thực hiện nhiều loại tín hiệu độc lập nhau nhau trong
cùng một nguồn ánh sáng trắng.
Những ánh sáng này dùng để truyền phát dữ liệu ở tốc độ cao, nhế nhưng khoảng cách
truyền rất ngắn, chỉ có thể áp dụng truyền dữ liệu trong khu vực nhỏ, chẳng hạn như
trong một căn phòng. Công nghệ ứng dụng kiểu truyền dữ liệu bằng các ánh sáng này
có tên là VLC (Visible Light Communication). Vì đề tài bài báo cáo tậm trung vào
FSO nên đối với phần VLC này, bài báo báo chỉ giới thiệu sợ lược đôi nét như trong
phần kề trên.
2.2.2 Các nguồn sáng được nghiên cứu và sử dụng trong FSO [10, 16]
Khác với VLC, mặc dù quang vô tuyến (FSO) cũng dùng ánh sáng để truyền dữ liệu,
nhưng hệ thống FSO có thể truyền dữ liệu đi với khoảng cách xa. Nguyên nhân là do
FSO sử dụng nguồn sáng khác đó là LASER và LED.
2.3 Bộ phát
Bộ phát là một trong 3 thành phần chính của hệ thống truyền dẫn quang vô tuyến.
2.3.1 Chức năng [24]
Nhiệm vụ chính của bộ phát là điều chế tín hiệu từ tín hiệu điện sang quang, sau đó
truyền vào không gian. Chấc lượng tín hiệu cũng như các thông số, chỉ tiêu về chất
lượng phải được tính toán kỹ ở máy thu sao cho máy thu truyền đi dữ liệu mà tín hiệu
nhận được tốt như mong muốn. nguồn ánh sáng từ máy phát có thể truyền đi từ 20m
đến 8km, tuy nhiên khoản cách truyền càng xa thì đòi hỏi bộ phát phải đáp ứng được
yêu cầu vể công suất truyền, đảm bảo về sự truyền thẳng và độ tập trung tia sáng cao.

/77
2.3.2 Cấu tạo [9, 10, 13, 16, 22]
2.3.2.1 Sơ đồ khối
Sơ đồ khối của một bộ phận thu quang được thể hiện như trong Hình 2-2. Trong hình
này, bộ phát gồm 4 thành phần chính. Chúng là khối điều chế tín hiệu, khối mạch điều
khiển, khối nguồn phát LD/LED, và thấu kính. Tin tức gốc sẽ đi lần lượt qua các khối,
và sẽ biến đổi từ dạng tín hiệu là các tín hiệu điện thành tín hiệu quang trước khi phát
ra từ lăng kính.
2.3.2.2 Các thành phần trong khối[9, 13, 16, 22]
1. Bộ điều chế
Bộ điều chế trong bộ nguồn giữ vai trò điều chế tín hiệu. Phương pháp điều chế được
sử sụng phổ biến là điều chế cường độ IM (Intensity Modulation), tín hiệu được điều
chế tại đây sẽ được đưa vào bộ phát xạ quang.
Cấu tạo chi tiết của máy thu phát quang được mô tả như Hình 2-3. Trong hình này, bộ
phận điều chế tín hiệu nằm ở khối sử lý tín hiệu (Data Processing), nơi mà luồng ánh
sáng màu đỏ đi dang qua, tín hiệu đầu vào bộ điều chế là tín hiệu số. Các dạng điều
chế cường độ quang có mà có thể sử dụng trong quang vô tuyến là điều chế OOK (On-
Off Keying) đây là điều chế được sử dụng nhiều nhất vì tính đơn gỉan của nó. Ngoài ra
còn có điều chế cường độ sóng mang phụ SIM (Subcarrier Intensity Modulation), hay
các kiểu điều chế xung PM (Pulse Modulation).
BỘ ĐIỀU
CHẾ
MẠCH
ĐIỀU
KHIỂN
NGUỒN
QUANG
DỮ LIỆU THẤU
KÍNH
TRUYỀN
Hình 2-2: Sơ đồ khối của máy phát [22]

/77
Hình 2- 3: Cấu tạo thiết bị thu phát quang vô tuyến [16]
2. Mạch điều khiển
Như trong Hình 2-3, mạch điều khiển sẽ nằm ở phần xử lý dữ liệu (Data Processing).
Mạch điều khiển đóng vai trò xử lý tín hiệu điện và quang, đưa tín hiệu vào sóng mang
3. Nguồn quang
Có 2 loại nguồn quang được sử dụng chủ yếu, đó là nguồn LASER DIODE (LD) và
nguồn LED
Nguồn LD
- Có nhiều loại laser như laser rắn, laser khí, laser CO2, laser than hoạt tính, và một
số lạo khác. Tuy nhiên, trong quang vô tuyến, người ta sử dụng laser bán dẫn , điển
hình là Laser Diode (LD). Laser diod co vài loại như GaAs, AlGaAs, và GaInAsP.
Mỗi loại có ứng dụng khác nhau tùy thuộc vào công suất và bước sóng. Trong

/77
thông tin quang, người ta sử dụng laser diode loại GaInAsP, vì loại này có công
suất cao (20mW), bước sóng 1300nm.
- Về cấu tạo, một cách tổng quát thì laser gồm có 3 thành phần, thứ nhất là buồng
cộng hưởng laser, thứ hai là nguồn nuôi, cuối cùng là hệ thống quang dẫn. Cấu tạo
cụ thể được mô tả như trong Hình 2-4.
Hình 2- 4: Cấu tạo bộ phát laser [9]
Trong hình Hình 2-4, số 1 là vùng cộng hưởng (vùng bị kích thích), số 2 là nguồn nuôi
(năng lượng cung cấp cho vùng bị kích thích), số 3 là gương phản xạ toàn phần (là loại
gương mà khi ánh sáng chiếu vào đều bị phản xạ lại toàn bộ), số 4 là gương bán mạ
(đây là loại gương mà khi ánh sáng đi tới sẽ chỉ bị phản xạ lại một phần, còn một phần
sẽ xuyên qua gương), số 5 là tia laser ra khỏi buồng cộng hưởng thông qua gương bán
mạ. Trong các thành phần cấu tạo thì buồng cộng hưởng là thành phần chính, nó chứa
hoạt chất laser, đó là một chất đặc biệt có khả năng khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ
kích thích để tạo ra laser. Khi 1 photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là
1 photon khác bật ra bay theo cùng hướng với photon đó. Tính chất của laser phụ thuộc
vào hoạt chất đó, do đó người ta căn cứ vào hoạt chất để phân loại laser [22].
- Về nguyên lý hoạt động, laser hoạt động trên nguyên lý phát xạ khích thích. Khi
có tác dụng của điện áp đủ mạnh, thì các electon trong buồng cộng hưởng sẽ
chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao. Khi ở mức năng lượng
này, nếu có 1 hạt photon (hạt ánh sáng) va vào thì electon này sẽ rơi xuống mức

/77
năng lượng thấp đồng thời sinh ra một hạt ánh sáng mới, cùng pha, cùng độ lớn và
cùng hướng di chuyển với hật ánh sáng ban đầu. Những hật ánh sáng này nhờ
gương phản xạ toàn phần sẽ di chuyển qua lại trong buồng cộng hưởng làm va phải
nhiều hạt electon ở mức năng cao khác, làm chúng rơi xuống mức năng lượng thấp
hơn, từ đó sản sinh ra nhiều hạt ánh sáng. Các hạt ánh sáng này cứ di chuyển qua
lại giữa 2 màn kính, tạo thành một dòng ánh sáng được khuêch đại, dòng ánh sáng
này sẽ thoát ra ngoài một phần thông qua gương bán mạ. Ánh sáng thoát ra khỏi
gương ban mạ có thể truyền đi rất xa. Nguyên lý hoạt động của laser được thể hiện
thông qua Hình 2-4. Trong hình này, các vệt sáng màu xanh chính là các hạt
photon ánh sáng, các hạt tròn màu đỏ nhỏ là các electon đang ở mức năng lượng
thấp vì va phải các photon ánh sáng, còn các hạt tròn to hơn là các electron đang ở
mức năng lượng cao do chưa tiếp xúc với các hạt photon ánh sáng, hai tấm gương
phản xạ toàn phần và bán mạ ở hai đầu buồng cộng hưởng giúp ánh sáng có thể di
chuyển qua lại trong buồng cộng hưởng, nhằm duy trì sự phản xạ kích thích.
Hình 2- 5: Nguyên lý hoạt động của laser diode [9]

/77
Nguồn LED
LED là loại diode có thể phát quang, có thể là tia tử ngoại, tia hồng ngoại hay các ánh
sáng khả kiến. Trong FSO, người ta dủng LED hồng ngoại để truyền quang, vì LED
hồng ngoại có tính chất định hướng. LED hồng ngoại có bước sóng từ 780nm-1mm.
- Về cấu tạo, một cách tổng quá thì LED gồm có 3 phần chính, đó là 2 chân cực, sợi
nối và lăn kính. Nền tảng của LED là sự kết hớp giữa một lớp bán dẫn loại P và
một lớp bán dẫn loại n. Cấu tạo chi tiết của led được biểu thị như Hình 2-5. Trong
hình này, chân cực to hơn là cực âm, chân cực nhỏ là cực dương, trên cực âm có
chứa chất bán dẫn và phản sáng, hai cực nổi với nhau bằng sợi nối kim loại mỏng.
Ánh sáng phát ra từ chất phản sáng sẽ truyền ra khỏi LED thông qua lăng kính.
Hình 2- 6: Cấu tạo của LED[9]
- Về nguyên lý hoạt động, lớp bán dẫn loại P, chứa các lỗ trống mang điện tích
dương nên khi ghép với khối bán dẫn n (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống
này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối n. Cùng lúc khối p lại nhận
thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối n chuyển sang. Kết quả là khối p tích điện

/77
âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu
hụt điện tử và dư thừa lỗ trống). Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử
bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với
nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa. Quá trình này có thể giải phóng năng
lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó).
Bảng 2- 2: Một số nguồn quang [6]
Bước sóng(nm) Loại nguồn Đặc điểm
Khoảng 850 Laser phát xạ
khoang cộng
hưởng
Rẻ, có tính khả dụng.
Mật độ công suất thấp
Tốc độ khoảng 10Gbps
Khoảng 1300-1500 Laser Fabry-
Parot
Thời gian sống lâu.
Tiêu chuẩn an toàn cho mắt thấp.
Mật độ công suất cao hơn 50 lần (100
nW/Cm2).
Tốc độ khoảng 40Gbps.
Công suất điển hình 28mW
Khoảng 1300-1500 Laser thác lượng
tử
Giá thành cao
Rất nhanh và độ nhạy cao.
Truyền tốt trong sương mù, nhưng không thể
truyền qua thủy tinh.

/77
Khoảng 750-1400 Hồng ngoại gần
( NIR)
Rẻ hơn
Mạch điều khiển đơn giản
Công suất thấp: <10mW
- Thấu kính truyền.
Thấu kính là nơi tập trung ánh sáng sau khi được điều chế cùng với tín hiệu góc để
phát ra môi trường ngoài. Thấu kính này cần phải có độ hội tụ cao, ánh sáng truyền
qua thấu kính sẽ phải truyền qua tâm điểm để ánh sáng được truyền thẳng.
2.3.3 Các thông số yêu cầu
Dung lượng kênh C, là giới hạn của lượng thông tin mà kênh truyền có thể truyền tải,
nó phụ thuôc vào công suất tín hiệu, kiểu điều chế. Vì vậy phải lựa chọn công suất và
kiểu điều chế sao cho dung lượng kênh tối ưu nhất.
Công suất phát Pt là công suất phát tối đa mà hệ thống có thể phát, công suất phát càng
cao thì khoảng cách truyền càng xa.
2.4 Bộ thu
2.4.1 Chức năng[16, 22, 23, 24]
Bộ thu có chức năng chính là thu tín hiệu ánh sáng sau đó giải mã, chuyển tín hiệu từ
quang sang tín hiệu điện tức là khôi phục lại tín hiệu ban đầu. chức năng của bộ thu rất
quang trọng, đòi hỏi độ chính xác cao, khả năng khôi phục tín hiệu tốt, đáng tin cậy.

/77
2.4.2 Cấu tạo
2.4.2.1 Sơ đồ khối
Bộ phận thu gồm có 4 thành phần cơ bản, thứ nhất là thấu kính, thứ hai là bộ lọc
quang, thứ 3 là bộ tách sóng quang, cuối cùng là bộ giải điều chế. Vị trí của các bộ
phận trong máy thu thực tế được thể hiện qua Hình 2-3.
2.4.2.2 Các thành phần trong khối
Thấu kính thu quang và bộ lọc quang, phần này có nhiêm vụ tập trung ánh sáng truyền
từ máy phát, sau đó đưa vào bộ phận tiếp theo. Thứ tự của các thành phần thu sáng
được thể hiện trong Hình 2-3. Trong hình này, ánh sáng từ nguồn sẽ vào tấm phủ bằng
kính, trên có có gắn thiết bị lọc ánh sáng (Defroster), vì trong ánh sáng truyền tới máy
thu sẽ có chứa nhiều các hạt tạp chất, nhiệm vụ của tấm lọc này là làm cho ánh sáng
không còn lẫn các hạt bụi, hay sương. Sau đó ánh sáng đi quang thấu kính thu quang, ở
đây chùm sáng tới sẽ được hội tụ lại rồi truyền vào bộ nhận sóng ánh sáng (receiver).
Bộ tách sóng quang : ánh sáng sau khi được hội tụ lại tại điểm nhận sáng, nó sẽ được
truyền vào bộ xử lý tin hiệu (Data Processing), tại đây, ánh sáng nhận được sẽ được
tách ra khỏi tính hiệu, gọi là quá trình tách sóng mang (photodetector) . Sau khi ra khỏi
bộ phận này, tín hiệu sẽ là tín hiệu điện. Linh kiện dùng để tách sóng quang thường
dùng là PIN và APD.
Quá trình tách tính hiệu phía thu đực hia thành 2 loại:
Ánh sáng vào
Thấu
kính thu
Bộ lọc
quang
Bộ tách
sóng
quang
Giải điều
chế
Hình 2-7: Sơ đồ khối bộ thu quang [22]

/77
Tách sóng trực tiếp: sử dụng cường độ hoặc công suất của bức xạ quang đến đến bộ
thu để tách tín hiệu. Vì vậy cường độ dòng điện tín hiệu ra củ bộ tách quang sẽ tỉ lệ với
công suất quang nhận được. Cách xử lí này phù hợp với hệ thống quang mà sử dụng
điều chế cường độ (IM).
Tách sóng kết hợp( coherent): hoạt động trên hiện tượng trộn sóng ánh sáng. Tín hiệu
quang nhận được sẽ được kết hợp với 1 tín hiệu quang khác được tạo ra ở bề mặt của
bộ tách sóng quang.
Bảng 2-3: Bảng so sánh giữa PIN và APD [23]
Vậtliệu/cấu trúc Bước sóng (mm) Đáp
ứng
(W/A)
Độ nhạy Độ lợi
SiliconPIN 300-110 0.5 -34dBm tại tốc
độ 155Mbps
1
Silicon PIN với
bộ khuếch đại
phối hợp kháng
300-110 0.5 -26dBm tại tốc
độ 1.25Gbps
1
INGaAsPIN 1000-1700 0.9 -46dBm ở tốc
độ 155Mbps
1
Silicon APD 400-1000 77 -52dBm ở tốc
độ 155Mbps
150
INGaAsPIN 1000-1700 9 -33dBm ở tốc
độ 1.25Gbps
10

/77
- Giải điều chế: tín hiệu điện sau khi ra khỏi bộ tách sóng sẽ tiếp tục được giải điều
chế, tiến trình giải điều chế cũng được thực hiện tại nơi xử lý tín hiệu. Phương
pháp giải điều chế phải tương ứng với phương pháp điều chế. Chẳng hạn, nếu điều
chế là NRZ-OOK thì giải điều chế phải thực hiện theo phương pháp giải điều chế
của NRZ-OOK. Về bản chất, giải điều chế là quá trình đi ngược lại với điều chế.
2.4.3 Điều chế [22, 23]
Hiện nay, hầu hết các hệ thống FSO đều sử dụng phương pháp điều chế khóa đóng mở
(OOK) vì tính đơn giản của nó. Sự đơn giản của OOK được thể hiện ở sự có hay không
có sóng mang truyền đi, tương ứng với bit dữ liệu đầu vào là “1” hay “0”. Trong đó, bit
0 được biểu diễn bằng sóng mang “off” (biên độ sóng mang giảm về gần bằng 0), bit 1
được biểu diễn bằng sóng mang “on” (biên độ xác định khác không).
Ví dụ về kỹ thuật điều chế OOK được mô tả như trong Hình 2-8. Trong hình này, trục
nằm ngang là trục thời gian (đơn vị ns), trục đứng là trục biểu thị mức tín hiệu, cu thể
lả 2 mức tín hiệu “0” và “1”. Khi tín hiệu vào là “1” thì sóng mang sẽ được truyền đi,
hình ảnh các đường gợn sóng trong hình cho biết có sóng mang truyền đi, những khe
thời gian không có gợn sóng có nghĩa là biên độ sóng mang tiến gần về 0.

/77
Tuy nhiên phương pháp càng đơn giản thì hiệu suất kênh truyền càng thấp, các dáp ứng
về BER, SNR, dung lượng kênh truyền không cao. Thêm một hạn chế nữa là cần phải
biết thông tin tức thời về trạng thái kênh pha-đinh để thiết lập ngưỡng động nhằm đạt
được hiệu năng tối ưu.
2.4.4 Giải điềuchế [22]
Giải điều chế quang là quá trình chuyển hóa bức xạ quang thông tin thành tín hiệu điện
tươn
g
đương với mục đích thu hồi thông tin truyền. Tại máy phát, thông tin có thể được mã
hóa trên tần số, pha hoặc cường độ bức xạ từ nguồn quang. Bức xạ mã hoá này sau đó
được truyền đến người nhận thông qua kênh không gian tự do hoặc cáp quang. Các
thiết bị đầu cuối thu (kính thiên văn và bộ lọc quang học) tập trung bức xạ đã lọc lên bề
mặt phát hiện ánh sáng trong mặt phẳng tiêu cự. Tùy thuộc vào việc sử dụng dao động
trong quá trình phát hiện hay không thì có thể thực hiện các kỹ thuật quang phổ. Hiện
tại có hai kỹ thuật giải điều chê chính, đó là giải điều chế trực tiếp và giải điều chế kết
hợp. Trong đồ án, chỉ đề cặp đến giải điều chế trực tiếp.
Đối với kỹ thuật giải điều chế trực tiếp, thì một dao động cục bộ không được sử dụng
trong quá trình giải điều chế và đối với loại máy thu này để phục hồi các thông tin
được mã hoá, điều quan trọng là các thông tin truyền đi phải được kết hợp với sự biến
đổi cường độ của trường truyền. Đối với công suất dòng điện tức thời P(t), dòng ánh
sáng hiện tại i(t) được cho bởi:
)()( tgP
hc
q
ti

 (2.1)
Trong đó, g là độ lợi tại máy thu.
Hình 2-8: Điều chế khóa đóng mở OOK [22]
ns

/77
Hình 2-9 Sơ đồ khối giải điều chế quang trực tiếp [22]
Sơ đồ giải điều chế quang được thể hiện như trong trong Hình 2-9. Trong hình này,
optical radiation from transmitter và background radiation lần lượt là bức xạ quang từ
máy thu truyền đến và bứ xạ nền, khối vuông đầu tiên là thấu kính nhận quang và bộ
lọc quang, ánh sáng được tập hợp tại đây sau đó chuyển vào ô vuông thứ hai, tại đây
ánh sáng sẽ được giải điều chế, sau đó tín hiệu được khuếch đại sau hiêu ra khỏi bộ
Amplifier, tiếp theo, tín hiệu vào bộ cộng dể ghép với nhiễu của mạch, sau đó sẽ vào
bộ chuyển đổi từ quang sang điện. Kết thúc quá trình giải điều chế.
2.5 Môi trường truyền[3, 18, 22, 23]
Ánh sáng mang tín hiệu sẽ được truyền trong môi trường không khí, và truyền thẳng từ
máy phát đến máy thu. Vì vậy để đường truyền được liên tục thì đòi hỏi không có sự
xuất hiện của vật cản.
Kênh truyền dẫn quang của hệ thống FSO khác so với kênh nhiễu Gauss thông thường,
vì trong truyền dẫn quang, tín hiệu đầu vào kênh x(t) thể hiện công suất chứ không
phải biên độ. Điều này dẫn đến hai đặc trưng của tín hiệu phát, thứ nhất là tín hiệu x(t)
không âm; thứ hai là giá trị trung bình của x(t) không vượt quá công suất tối đa quy
định Pmax được biều diễn như trong công thức (2.2).
lim
𝑇→∞
1
2𝑇
∫ 𝑥( 𝑡) 𝑑𝑡 ≤ 𝑃𝑚𝑎𝑥
𝑇
−𝑇
(2.2)

/77
Kênh truyền FSO chứa các phân tử khí, các hạt bụi, khói và có những hình thái thời tiết
khác nhau như mưa, sương mù,… Lượng mưa trong khí quyển phụ thuộc vào vị trí địa
lý của từng vùng và theo từng mùa. Mật độ của các hạt cao nhất khi ở gần bề mặt trái
đất và giảm khi tăng độ cao lên đến tầng điện ly. Do đó, bầu khí quyển là một môi
trường không đồng nhất, trường quang khi truyền qua bầu khí quyển sẽ bị tán xạ hoặc
bị hấp thụ dẫn đến suy giảm công suất.
Một điểm quan trọng khác của kênh truyền FSO là tính nhiễu loạn. Khi ánh sáng từ
mặt trời chiếu xuống trái đất, các tia bức xạ bị hấp thụ và làm nóng bề mặt Trái Đất. Sự
nóng bề mặt này tạo nên sự không đồng nhất trong không khí khi mà các vùng nóng,
lạnh gặp nhau gây ra sự thay đổi về chiết suất, mật độ theo không gian và thời gian.
Nhiễu loạn khí quyển phụ thuộc vào áp suất khí quyển/độ cao, tốc độ gió và sự biến
thiên của chỉ số khúc xạ do nhiệt độ không đồng nhất.
Hình 2-10: Môi trường truyền quang [8]
Ánh sáng lazer được truyền đi trong môi trường không gian tự do giữa các điểm thu
phát được mô tả như trong Hình 2-9. Trong hình này, khối Lazers là nguồn phát, khối
Photodetectors là máy thu quang, ánh sáng được truyền thẳng tử nguồn đến máy thu.

/77
Trên đường truyền cũng xuất hiện các thành phần của không khí như sương mù, khói,
các hạt khí. Những thành phần này ảnh hưởng không hề nhỏ đến các chỉ số chất lượng
đường truyền như tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, tỉ số lỗi bit BER, công suất thu quang.
ảnh hưởng cụ thể của những yếu tố này lên kênh truyền quang sẽ được phân tích cụ thể
ở Phần 2.4.2 và Phần 2.4.3.
2.5.1 Mã hóa kênh truyền[1, 22, 23]
Các kỹ thuật sửa lỗi theo hướng phát FEC (Forward Error Check) đã được triển khai
trong các nghiên cứu để chống lại các ảnh hưởng suy giảm do nhiễu loạn khí quyển.
FEC được thực hiện bằng cách thêm các bit dư vào số liệu phát thông qua thuật toán
mã hóa sửa lỗi theo hướng phát như mã turbo , mã khối và mã xoắn , và mã kiểm tra
chẵn lẻ mật độ thấp Low Density Patity Check (LDPC). Hiệu năng của mã khối và mã
xoắn đã được phân tích và so sánh với mã turbo trong điều kiện nhiễu loạn khí quyển
yếu. Các kết quả phân tích cho thấy sử dụng mã turbo đạt được hiệu năng BER tốt hơn
trên kênh nhiễu loạn khí quyển. Tuy nhiên, mã turbo không phù hợp cho truyền dẫn
quang tốc độ cao do tính phức tạp cao và thời gian mã hóa/giải mã dài sẽ làm tăng độ
trễ của hệ thống. Một nghiên cứu khác chỉ ra rằng sử dụng mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ
thấp (LDPC) cũng giúp tăng hiệu năng BER của hệ thống, thậm chí ngay cả trong điều
kiện nhiễu loạn khí quyển mạnh. Mặc dù FEC là một trong những biện pháp kỹ thuật
tốt nhất để chống lại các ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển bao gồm cả pha-đinh,
nhưng sử dụng chúng trong các hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao sẽ làm tăng trễ
và tính phức tạp của hệ thống vì phải thêm các khối mã hóa/giải mã. Do đó, biện pháp
này có tính thực tế không cao. Mục đích của việc sử dụng mã đường truyền là tạo ra
phổ tín hiệu số pù hợp với kênh truyền, tạo khả năng tách tín hiệu đồng bộ ở máy thu,
tăng tốc độ truyền dẫn, giám sát được chất lượng truyền vì có khả năng phát hiện lỗi
và sửa lỗi. Có hai loại mã đường truyền chính. Đó là mả đơn cực (Unipolar) và mã

/77
lưỡng cực (Bipolar). Đối với truyền dẫn quang, ta sử dụng mã đơn cực là chủ yếu, vì
mã này phù hợp với mã hóa OOK. Kỹ thuật xung mã được sử dụng phổ biên trong
truyền quang là xung mã NRZ (Non Return to Zero).
Hình 2-11: Biểu diễn mã NRZ [1]
Xung mã NRX được biểu diễn như trong Hình 2-9. Trong hình này, khi bit xung clock
là 1 thì xung mã NRZ có biên độ khác không (bằng biên độ đỉnh), khi xung clock là 0
thì biên độ xung NRZ sẽ bằng 0. Mã NRZ được sử dụng là do phù hợp với đường tryền
tốc độ cao.
2.5.2 Các mô hinh nhiễu loạn trên đường truyền [9,18, 22, 23]
Bức xạ mặt trời bị hấp thụ bởi bề mặt Trái Đất làm cho không khí xung quanh bề mặt
Trái Đất nóng hơn so với không khí tại những điểm cao hơn (so với mực nước biển).
Lớp khí nóng này trở nên mỏng đi và bốc lên cao để hòa trộn một cách hỗn loạn với
các vùng không khí lạnh hơn ở xung quanh, làm cho nhiệt độ không khí thay đổi một
cách ngẫu nhiên. Sự không đồng nhất (gây ra nhiễu loạn không khí) là do các ô nhỏ rời
rạc, hoặc các xoáy lốc với nhiệt độ khác nhau, hoạt động như những lăng kính khúc xạ
có các kích cỡ và chỉ số khúc xạ khác nhau. Sự tương tác giữa búp sóng quang và môi
trường nhiễu loạn dẫn tới kết quả là pha và biên độ của trường quang mang thông tin
thay đổi một cách ngẫu nhiên, làm cho hiệu năng của liên kết FSO bị suy giảm. Nhiễu

/77
loạn khí quyển được phân loại theo các mô hình phụ thuộc vào độ lớn của sự thay đổi
chỉ số khúc xạ và sự không đồng nhất. Các mô hình này là một hàm của khoảng cách
truyền dẫn của bức xạ quang qua môi trường khí quyển và được phân loại theo các
mức độ yếu, trung bình và mạnh.Tuy nhiên, do sự phức tạp trong các mô hình toán học
nhiễu loạn khí quyển, nên không có mô hình chung điển hình. Hai mô hình được sử
dụng phổ biến nhất, đó là mô hình log- chuẩn và mô hình Gamma-Gamma.
Nhiễu loạn không khí dẫn tới sự biến đổi ngẫu nhiên của chỉ số khúc xạ khí quyển, n,
dọc theo tuyến đường truyền dẫn của bức xạ quang qua môi trường khí quyển. Sự biến
đổi chỉ số khúc xạ có nguyên nhân trực tiếp là sự biến đổi ngẫu nhiên của nhiệt độ khí
quyển. Những sự thay đổi ngẫu nhiên về nhiệt độ là một hàm của áp suất khí quyển, độ
cao so với mặt nước biển, và tốc độ gió. Mức độ nhỏ nhất và lớn nhất của các xoáy lốc
trong khí quyển.
Mối quan hệ giữa nhiệt độ không khí và chỉ số khúc xạ được xác định bởi công thức
(2.3).
623
10)1052.71(6.771 

eT
P
n  (2.3)
Trong công thức này, n là chỉ số khúc xạ, Te nhiệt độ (độ Kenvin),  là bước sóng
(nm), P là áp suất khí quyển (mbar).
Tốc độ thay đổi của chỉ số khúc xạ theo nhiệt độ được xác định bởi công thức (2.4).
2
5
*10*8.7
ee T
P
dT
dn 
 (2.4)
Ở độ cao gần mực nước biển, 16
*10 
 K
dT
dn
e
Trong khí quyển nhiễu loạn, một thông số quan trọng để đặc tính hóa lượng thay đổi
của chỉ số khúc xạ là tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ, Cn
2, được giới thiệu bởi
Kolmogorov. Giá trị của Cn
2 thay đổi theo độ cao so với mặt nước biển,nhưng đối với

/77
trường quang lan truyền theo phương ngang thì chỉ số này được coi là khoảng hằng số,
có giá trị từ 10-12 (m-2/3) trong trường hợp kênh truyền có nhiễu loạn mạnh cho đến
1017(m-2/3) trong trường hợp kênh truyền có nhiễu loạn yếu. Giá trị trung bình của tham
số này khoảng 10-15 m-2/3.
Mức độ nhỏ nhất và lớn nhất của các xoáy lốc trong khí quyển, tương ứng được gọi là
kích thước cỡ nhỏ (inner scale), l0, và kích thước cỡ lớn (outer scale), L0, của sự nhiễu
loạn. l0 thường nằm trong khoảng một vài milimet trong khi L0 có thể lên tới vài mét.
2.5.2.1 Mô hình nhiễu loạn log-normal [18, 22]
Đối với trường phân cực ngang truyền qua môi trường nhiễu loạn, tham số cấu trúc chỉ
số khúc xạ Cn
2 là hằng số, và phương sai log-cường độ trường (với giả thiết truyền lan
sóng cầu) được xác định theo công thức (2.5).
6
11
6
7
22
***23.1 LkC snl  (2.5)
Trong công thức (2.4), ks là số bước sóng, nó nằm trong khoảng 2
𝜋
𝐿0
≤ 𝑘 𝑠 ≤ 2𝜋/𝑙0, L
là cự ly truyền dẫn (m).
Cường độ trường trong môi trường nhiễu loạn được xác định theo công thức (2.6).
I=| 𝐴(𝑟)2| (2.6)
Với A(r) là biên độ của trường trong môi trường nhiễu loạn.
Cường độ trường trong môi trường không nhiễu loạn được xác định như heo công thức
(2.7).
 rAI 2
0
2
0  (2.7)
Với A0(r) là biên độ của trường không có nhiễu loạn.
Cường độ theo hàm log được cho bởi công thức (2.8).
l=log 𝑒 |
𝐼
𝐼0
| = 2𝑋 (2.8)

/77
Trong công thức (2.8),X là sự biến đổi log-biên độ, I,I0 lần lượt được xác định như
trong công thức (2.6) và (2.7).
Từ công thức (2.8) ta có thể biến đổi để được công thức tinh I theo công thức (2.9).
I=I0exp(l) (2.9)
Để tìm được hàm mật độ xác suất bức xạ, ta thực hiện biến đổi P(I)=P(X)|
𝑑𝑋
𝑑𝐼
|
Ta được hàm phân bố log-chuẩn như trong công thức (2.10).
 




















 2
2
0
2 2
)(ln
exp
1
2
1
)(
ll
lE
I
I
I
IP

(2.10)
Trong công thức (2.10), trị trung bình log-cường độ E(l) = 2E(X), với E(X) là kì vọng
của X.
Phương sai cường độ được tính bằng công thức (2.11).
  1exp 22
0
2
 lI I  (2.11)
Như vậy ta có công thức phương sai chuẩn hóa cường độ hay còn gọi là chỉ số nhấp
nháy S.I được xác định như công thức (2.12).
  1exp. 2
2
0
2
2
 I
I
N
I
IS 

 (2.12)
Hàm mật độ xác suất log-chuẩn được thể hiện như trong Hình 2-11. Trong hình này, có
thể thấy rằng, khi phương sai log-cường độ càng tăng thì phân bố càng trở nên sai lệch,
không đều.

/77
Hình 2-12: Hàm mật độ log-chuẩn với E[I] =1 cho dãy giá trị của 𝝈𝒍
𝟐
[23]
Giả thuyết Rytov( phương sai log-cường độ) được sử dụng để mô tả sự nhiễu loạn khí
quyển và đã xét cho mô hình nhiễu loạn log-chuẩn. Giả thuyết này dự đoán rằng các
tham số Rytov tăng không giới hạn theo tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ hoặc độ dài
đường truyền. Tuy nhiên, dựa trên các kết quả thử nghiệm được đề cập, dự đoán này
đúng với trường hợp nhiễu loạn yếu, khi 3.02
x . Khi cường độ nhiễu loạn tăng, do
sự kết hợp của độ dài đường truyền tăng và/hoặc Cn
2 tăng, các xoáy nhiễu loạn tạo ra
đa tán xạ không được tính đến trong mô hình Rytov [23].
Dựa trên các thí nghiệm được báo cáo, chỉ số nhấp nháy S.I tăng tuyến tính với tham số
Rytov trong vùng nhiễu loạn yếu và tiếp tục tăng đến giá trị cực đại lớn hơn 1. Vùng
mà trong đó S.I đạt giá trị tối đa đặc trưng cho cường độ cao nhất của sự không đồng
nhất. Sau đó S.I bắt đầu giảm do nhiễu [23].

/77
2.5.2.2 Mô hình nhiễu loạn gamma-gamma [18, 22, 23]
Mô hình nhiễu loạn Gamma-Gamma được đề xuất bởi Andrews, sự thăng giáng của
trường quang truyền qua khí quyển nhiễu loạn được giả thiết bao gồm các ảnh hưởng
phạm vi nhỏ (tán xạ) và ảnh hưởng phạm vi lớn (khúc xạ). Các thăng giáng phạm vi
lớn được tạo ra bởi các xoáy nhiễu loạn lớn hơn vùng tán xạ. Các xoáy nhiễu loạn kích
thước nhỏ được giả định được điều chế bởi các xoáy nhiễu loạn kích thước lớn. Do đó,
cường độ trường quang thu chuẩn hóa I được xác định là tích của hai quá trình ngẫu
nhiên độc lập thống kê Ix và Iy, nó được biểu diễn theo công thức (2.13).
I=IxIy (2.13)
Ix và Iy phát sinh từ các xoáy nhiễu loạn kích thước lớn và kích thước nhỏ, được đề xuất
tuân theo phân bố Gamma. Hàm mật độ xác suất của chúng được xác định như trong
công thức (2.14) và (2.15).
  )exp(
)( 1
x
x
x I
I
IP 







(2.14)
  )exp()(
1
y
y
y I
I
IP 







(2.15)
Thay Iy =I/Ix vào công thức (2.15) ta được công thức (2.16).
)/exp(
)/(
)/(
1
x
x
x II
II
IIP 







(2.16)
Trong đó Ix là giá trị trung bình của I, và  lần luợt là số lượng hiệu dụng của các
xoáy kích thước lớn và xoáy kích thước nhỏ của quá trình tán xạ. Hai tham sô này
được xác định như công thức (2.17), và (2.18).
1)
)11.11(
49.0
exp(
1
6
7
5
12
2



l
l


 (2.17)

/77
1
69.01
51.0
exp
1
6
5
7
12
2



























l
l


 (2.18)
Chỉ số nhấp nháy được xác định bởi công thức (2.19)
1
)11.11(
49.0
exp
1
)56.01(
51.0
exp
1
exp.
6
7
7
12
2
6
5
5
12
2













































l
l
l
l
IS




(2.19)
Phân bố xác suất Gamma cho kênh truyền nhiễu loạn yếu , trung bình và mạnh được
thể hiện qua Hình 2-12. Trong hình này, đường sóng màu đỏ liên tục tượng trung cho
nhiễu loạn yếu, đường đứt khúc to biểu diễn cho nhiễu loạn trung bình, đường đứt khúc
nhuyễn biểu điễn cho phân bố có cường độ nhiễu loạn mạnh. Hình ảnh cho thấy, khi có
nhiễu loạn yếu, tham số phuơng sai log-cường độ nhổ hơn 1 thì phân bố mật độ xác
suất đều. Phân bố này bị lệch dần về 0 khi nhiễu loạn mạnh hơn và phương sai log-
cường độ lớn.

/77
2.5.3 Các hiện tượng và yếu tố ảnh hưởng lênđường truyền [8, 18]
Suy hao kênh truyền là tác hại thấy rõ nhất do các yếu tố ảnh hưởng lên đường truyền
gây ra. Khi một bức xạ quang đi qua bầu khí quyển, một số photon bị hấp thụ do các
thành phần như hơi nước, khí CO2, sương mù, tầng Ozon, và năng lượng chuyển thành
nhiệt năng. Trong khi đó, các photon khác đi qua bầu khí quyển không mất mát năng
lượng nhưng hướng truyền lan ban đầu của chúng bị thay đổi (tán xạ). Sự suy hao của
tín hiệu trong bầu khí quyển là hệ quả của quá trình hấp thụ và tán xạ. Nồng độ của vật
chất trong khí quyển gây ra suy hao tín hiệu khác nhau theo không gian và thời gian, và
sẽ phụ thuộc vào điều kiện thời tiết của từng vùng. Với một tuyến FSO trên mặt đất,
cường độ tín hiệu thu được tại khoảng cách L so với bộ phát có quan hệ với cường độ
Hình 2-13: Phân bố gamma cho nhiễu loạn yếu, trung bình, mạnh[ 23]

/77
tín hiệu tại bộ phát theo quy luật Beer – Lambert. Định luật này được biểu diễn thông
qua hệ số suy hao, cụ thể như trong công thức (2.20).
)exp(  L
P
P
h
T
Ra
l (2.20)
Trong công thức này, ℎ𝑙
𝑎
là suy hao hao tổng tại 1 bước sóng, 𝛾 là hệ số suy hao (m-1),
L là khoảng cách từ bộ phát đếm điểm cách đó 1 khoang L(m), PR,PT lần lượt là công
suất phát và công suất thu.
Suy hao trong khí quyển là do có các phần tử khí và hơi nước trong khí quyển. Hệ số
suy hao được tính như công thức (2.21).
𝛾 = 𝛼 𝑚 + 𝛼 𝑎 + 𝛽 𝑚 + 𝛽𝑎 (2.21)
Trong đó, 𝛼 𝑚, 𝛼 𝑎 lần lượt là hệ số hấp thụ do hơi nước và hệ số hấp thụ do các phần tử
khí; 𝛽 𝑚 , 𝛽𝑎 lần lượt là hệ số tán xạ do hơi nướ và hệ số tán xạ do các phần tử khí.
2.5.3.1 Các hiện tượng[17, 22, 23]
Tán xạ: là kết quả của việc phân bố lại góc của trường quang khi có và không có sự
thay đổi bước sóng. Ảnh hưởng của tán xạ phụ thuộc vào bán kính rm của các hạt
(sương mù, hơi nước) gặp phải trong quá trình truyền lan. Một cách mô tả hiện tượng
này là xét tham số kích cỡ  /20 mrx  . Nếu x0<<1 thì tán xạ là tán xạ Rayleigh, nếu
x0 <<1 là tán xạ Mie và nếu x0 >>1 thì tán xạ có thể thuộc loại khác (quang hình học).
Kích thước hạt sương tương đối lớn so với dải bước sóng sử dụng trong FSO. Do đó,
có thể coi sương mù là nguyên nhân chính gây tán xạ photon và nó góp phần vào sự
suy giảm công suất quang. Tán xạ Mie sẽ được mô tả dựa trên các công thức thực
nghiệm theo dải tầm nhìn V (tính theo đơn vị mét).
Bảng 2- 4: Bán kính và và các loại tán xạ của một số hạt tại bướ sóng 850nm [23]

/77
Loại Bán
kính(micromet)
X0 Loại tán xạ
Phân tử khí 0.0001 0.00074 Rayleigh
Bụi 0.01-1 0.74-7.4 Rayleigh-mie
Sương 1-20 7.4-147.8 Mie-hình học
Mưa 100-10000 740-74000 Hình học
Tuyết 1000-5000 7400-37000 Hình học
Mưa đá 5000-50000 37000-370000 Hình học
Dải tầm nhìn là khoảng cách mà một chùm sáng song song đi qua trong bầu khí quyển
cho đến khi cường độ của nó giảm 2% so với giá trị ban đầu. Tầm nhìn được đo bằng
một dụng cụ gọi là thiết bị đo truyền dẫn. Mô hình thực nghiệm phổ biến cho tán xạ
Mie được cho bởi công thức (2.22).











550
91.3
V
a (2.22)
Suy hao tầng bình lưu và suy hao bức xạ sương mù trong dải bước sóng 690 – 1550 nm
và dải tầm nhìn trong dải 50 – 1000 m như công thức (2.23) và công thức (2.24).
V
tbl
8367.311478.0 


 (2.23)
V
sm
7502.313709.018126.0 2



 (2.24)
Bảng 2- 5: Giá trị dãi tầm nhì trong các điều kiện thời tiết [22, 23]
Điều kiện thời tiết Dải tầm nhìn V (m)

/77
Sương mù dày đặc 200
Sương mù trung bình 500
Sương mù nhẹ 770-1000
Mưa lớn (25mm/h) 1900-2000
Mưa trung bình (12,5mm/h) 2800-40000
Khôráo/Mưa bụi (0,25mm/h) 1800-20000
Rất khô ráo 23000-50000
Hấp thụ: xảy ra khi có sự tương tác giữa các photon và các phần tử trong không khí
trong quá trình truyền lan. Một số photon bị hấp thụ và năng lượng của chúng biến
thành nhiệt. Hệ số hấp thụ phụ thuộc rất nhiều vào các loại khí và mật độ của chúng.
Sự hấp thụ phụ thuộc bước sóng và do đó có tính chọn lọc. Điều này dẫn tới bầu khí
quyển có các vùng trong suốt – dải bước sóng có độ hấp thụ tối thiểu – được xem như
là cửa sổ truyền. Các bước sóng sử dụng trong FSO về cơ bản được chọn để trùng với
các cửa sổ truyền lan trong không khí, kết quả là hệ số suy hao bị chi phối chủ yếu bởi
sự tán xạ do hơi nước [22].
2.5.3.2 Các yếu tố ánh hưởng đến chất lượng kênh truyền[8, 22, 23]
Sương mù là thách thức chính đối với truyền thông quang không dây. Sương mù do hơi
nước được tập hợp từ những giọt nước nhỏ có đường kính vài trăm micro mét nhưng
có thể làm thay đổi đặc tính truyền lan của ánh sáng hoặc ngăn cản hoàn toàn sự truyền
lan của ánh sáng thông qua sự kết hợp của các hiện tượng hấp thụ, tán xạ và phản xạ.

Đề tài: Cấu trúc chức năng của hệ thống thông tin quang vô tuyền

Đề tài: Cấu trúc chức năng của hệ thống thông tin quang vô tuyền

Recomendados

Recomendados

Mais conteúdo relacionado

Mais procurados

Mais procurados (20)

Semelhante a Đề tài: Cấu trúc chức năng của hệ thống thông tin quang vô tuyền

Semelhante a Đề tài: Cấu trúc chức năng của hệ thống thông tin quang vô tuyền (20)

Mais de Dịch vụ viết bài trọn gói ZALO 0917193864

Mais de Dịch vụ viết bài trọn gói ZALO 0917193864 (20)

Último

Último (20)

Đề tài: Cấu trúc chức năng của hệ thống thông tin quang vô tuyền