OFDM-ROF

LỜI NÓI ĐẦU

LỜI NÓI ĐẦU
Các hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng hiện đang phát triển rất mạnh mẽ. Yêu
cầu về khả năng truyền tải các dịch vụ băng rộng tích hợp (kết hợp các loại dịch vụ
thoại, số liệu, hình ảnh, dịch vụ đa phương tiện và dịch vụ gia tăng khác) khiến cho
dung lượng truyền dẫn của các hệ thống thông tin vô tuyến ngày càng tăng. Sự gia
tăng về dung lượng truyền dẫn sẽ dẫn tới phải sử dụng tần số hoạt động cao hơn và các
tế bào vô tuyến nhỏ hơn. Nhưng các tế bào vô tuyến nhỏ hơn đồng nghĩa với việc cần
một số lượng lớn các trạm gốc và các điểm truy nhập vô tuyến để đạt được vùng phủ
sóng rộng theo yêu cầu của hệ thống.
Bên cạnh đó, truyền thông sợi quang đang trở nên phổ biến hơn bởi nhiều ưu điểm
mà nó mang lại như băng thông cực rộng, không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ. Tuy
rằng phương thức này vẫn có những nhược điểm nhất định trong lắp đặt, bảo dưỡng
cũng như giá thành so với việc triển khai cáp đồng, nhưng đặc điểm về băng thông
rộng của sợi quang thì không có một môi trường nào có thể so sánh được. Chính vì
vậy, sợi quang từ lâu đã được xem là cơ sở để triển khai các mạng băng thông rộng
một cách hiệu quả.
Một trong những phương pháp để xây dựng hệ thống mạng truy nhập vô tuyến băng
thông rộng là kết hợp với kĩ thuật truy nhập bằng sợi quang. Kĩ thuật truyền sóng vô
tuyến qua sợi quang (RoF) đã ra đợi và được xem là một kĩ thuật nên tảng cho mạng
truy nhập không dây băng thông rộng của tương lai. Mặt khác, chúng ta đều biết kĩ
thuật OFDM quang là một kĩ thuật phổ biến với rất nhiều ưu điểm. Do đó việc kết hợp
OFDM quang và RoF được xem là một giải pháp mang lại hiệu quả cao cho truyền
dẫn vô tuyến băng rộng.
“Đánh giá hiệu năng hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM-RoF” là nội dung chính
của chuyên đề. Cấu trúc chuyên đề như sau:
Chương 1 Công nghệ OFDM quang:
Chương 2 nêu ra khái niệm, định nghĩa, các đặc điểm cũng như ưu nhược điểm của

Trang 2


OFDM-RoF

MỤC LỤC

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU...........................................................................................................1
MỤC LỤC..................................................................................................................3
DANH MỤC HÌNH VẼ ..........................................................................................3
CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ OFDM QUANG.........................................................5
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN RoF...................................................19
2.3. Các ưu điểm của RoF....................................................................................41
2.3.1. Suy hao thấp...........................................................................................41
2.3.2. Băng thông lớn.......................................................................................42
2.3.3. Miễn nhiễm đối với nhiễu tần số vô tuyến............................................42
2.3.4. Lắp đặt và bảo trì đơn giản....................................................................42
2.3.5. Giảm công suất tiêu thụ.........................................................................43
2.3.6. Phân bổ tài nguyên linh hoạt.................................................................43
2.4. Các hạn chế của RoF....................................................................................43
2.5. Ứng dụng của hệ thống RoF.........................................................................44
2.5.1. Mạng tế bào............................................................................................44
2.5.2. Thông tin vệ tính....................................................................................44
2.5.3. Các dịch vụ băng rộng di động..............................................................44
2.5.4. Mạng cục bộ không dây (WLAN).........................................................44
2.5.5. Mạng cho các phương tiện giao thông..................................................45
2.6. Kết luận chương 2.........................................................................................45
CHƯƠNG 3: Đánh giá hiệu năng hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật OFDM-RoF
.........................................................................................................................................47

2.5.2. Thông tin vệ tính....................................................................................44
2.5.3. Các dịch vụ băng rộng di động..............................................................44
2.5.4. Mạng cục bộ không dây (WLAN).........................................................44
2.5.5. Mạng cho các phương tiện giao thông..................................................45
2.6. Kết luận chương 2.........................................................................................45
CHƯƠNG 3: Đánh giá hiệu năng hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật OFDM-RoF
.........................................................................................................................................47
3.2.2. Ứng dụng của OFDM trong RoF..........................................................54
Hình 3.13: Chòm sao tín hiệu phía phát......................................................62
Hình 3.14: Tín hiệu sau khi điều chế vô tuyến (trong miền thời gian)......62
Hình 3.21 Sơ đồ nguyên lý hệ thống OFDM-RoF......................................64
KẾT LUẬN..............................................................................................................74
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................75

Nhóm 6

Trang 4


OFDM-RoF

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ OFDM QUANG
Nội dung chính của chương 1 là trình bày lịch sử công nghệ OFDM, nguyên tắc
hoạt động OFDM. Ngoài ra cuối chương đề tài phân tích ưu nhược điểm của OFDM
cũng như nêu sự khác biệt giữa OFDM quang và OFDM vô tuyến.
1.1.
Công nghệ OFDM
1.1.1.Tóm tắt lịch sử OFDM

của OFDM quang là nó có thể được điều chỉnh cho các ứng dụng khác nhau.
1.1.2. Tính trực giao
Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập với nhau. Tính trực giao là một
tính chất cho phép nhiều tín hiệu thông tin được truyền và thu tốt trên một kênh truyền
chung và không có xuyên nhiễu giữa các tín hiệu này. Mất đi tính trực giao sẽ làm cho
Nhóm 6

Trang 5


OFDM-RoF

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

các tín hiệu thông tin này bị xuyên nhiễu lẫn nhau và đầu thu khó khôi phục lại được
hoàn toàn thông tin ban đầu. Trong OFDM, các sóng mang con chồng lấn nhau nhưng
tín hiệu vẫn có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế
cận bởi vì giữa các sóng mang con có tính trực giao. Một tập các tín hiệu được gọi là
trực giao từng đôi một khi hai tín hiệu bất kỳ trong tập đó thỏa điều kiện.

* (t)dt =  K
S
(t).S

∫ i j
0

TS

i= j

 TS 
 TS 
TS

 k1
∫0 Sin  2 π TS


 k
t .Sin  2 π 2

 TS

T


1 S
t
t 
t  dt = ∫  cos2 π( k 1 − k 2 ) − cos2 π( k 1 + k 2 ) dt = 0
2 0
TS
TS 


(1.
3)

Hình 1.1: Phổ của các sóng mang trực giao
Như vậy, các sóng mang thuộc tập (1.2) là trực giao từng đôi một hay còn gọi là

ki k

s

(1.4)

sk (t ) = Π (t )e j 2π fk t

(1.5)

 1,(0 < t ≤ Ts )
Π (t ) = 
 0,(t ≤ 0, t > Ts )

(1.6)

Trong đó cki là kí hiệu mang thông tin thứ i tại sóng mang con thứ k, sk là dạng sóng
cho k sóng mang con, Nsc là số sóng mang con, fk là tần số sóng mang con, Ts là thời
gian một kí hiệu OFDM , và ∏(t) là hàm xung đơn vị. Các bộ dò quang tối ưu cho mỗi
sóng mang con sử dụng một bộ lọc phù hợp với dạng sóng hay tương quan phù hợp
với sóng mang con như trong hình 1.2.

Hình 1.2: Sơ đồ chung cho một hệ thống điều chế đa sóng mang
Do đó, việc xác định kí hiệu mạng thông tin c’ik tại đầu ra được tính theo công thức
sau:

Nhóm 6

Trang 7


1 s
δ kl = ∫ sk sl*dt = ∫ exp ( j 2π ( f k − f l )t ) dt = exp ( jπ ( f k − f l )Ts )
Ts 0
Ts 0

(1.8
)

Có thế thấy rằng nếu điều kiện

f k − fl = m

1
Ts

(1.9)

được thỏa mãn thì hai sóng mang con sẽ trực giao với nhau. Điều này có nghĩa rằng
những bộ sóng mang con này trực giao với nhau, với khoảng cách tần số là bội của
thời gian kí hiệu, có thể sử dụng các bộ lọc thích hợp để loại bỏ nhiễu giữa các sóng
mang (ICI), mặc dù sự chồng lấn phổ của tín hiệu rất lớn.
1.2.2. Thực hiện biến đổi Fourier rời rạc đối với OFDM
Một thách thức chính đối với OFDM đó là cần một số lượng lớn các sóng mang con
vì vậy kênh truyền dẫn xem mỗi sóng mang con như một kênh riêng. Điều này dẫn đến
một cấu trúc vô cùng phức tạp với nhiều bộ dao động và bộ lọc ở cả phía phát và phía
thu. Weinsten và Ebert đầu tiên khám phá ra điều chế và giải điều chế OFDM có thể
được thực hiện bằng việc biến đổi Fourier nhanh đảo (IDFT) và biến đổi Fourier
nhanh thuận (DFT). Điều này là hiển nhiên qua việc nghiên cứu điều chế OFDM công
thức (1.4) và giải điều chế OFDM công thức (1.5). Tạm bỏ qua chỉ số i và coi Nsc là N
trong công thức (1.4) để tập trung chủ yếu vào một kí tự OFDM và chúng ta lây mẫu


Chương 1: Công nghệ OFDM quang
N

sm = ∑ ck .e
k =1

j 2π f k .

( m − 1)Ts
N

N

= ∑ ck .e
k =1

j 2π

(k − 1)( m − 1)
N

= ℑ − 1 { ck }

(1.12)

Khi ℑ là biến đổi Fourier, và m ∈ ( 1, N ) , tương tự, tại phía thu chúng ta có:

ck′ = ℑ{ rm }


Chương 1: Công nghệ OFDM quang

nâng tần thành RF thích hợp với một bộ điều chế. Tại phía thu, tín hiệu OFDM được
chuyển đổi hạ tần thành tín hiệu băng gốc với bộ giải điều chế, lấy mẫu với ADC, và
sau đó giải điều chế bởi thực hiện DFT và tín hiệu băng gốc được xử lí để phục hồi dữ
liệu.
Chú ý rằng từ công thức (1.10), tín hiệu OFDM sm là một hàm tuần hoàn với chu kì
N/Ts. Cụ thể là trong (1.10) và (1.11), tần số sóng mang con fk và chỉ số k có thể được
tổng quát là:

fk =

k −1
, k ∈ [ kmin + 1, k min + N ]
Ts

(1.14)

Khi kmin là một số nguyên tùy ý. Tuy nhiên, chỉ có hai chỉ số sóng mang con được
sử dụng rông rãi: k∈ [1,N] và k∈ [-N/ +1,N/2].
1.2.3. Tiền tố lặp đối với OFDM
Một trong những kĩ thuật cho phép đối với OFDM là chèn các tiền tố lặp. Chúng ta
hãy xem xét hai kí hiệu OFDM liên tiếp trải qua một kênh phân tán với một độ trễ td.
Để đơn giản, mỗi kí hiệu OFDM chỉ bao gồm hai sóng mang con với trễ nhanh và trễ
chậm là td, đặc trưng bởi “sóng mang con nhanh” và “sóng mang con chậm” tương
ứng. Hình 1.4a chỉ ra rằng bên trong mỗi kí tự OFDM, hai sóng mang con- sóng mang
con nhanh và sóng mang con chậm được liên kết khi truyền. Hình 1.4b chỉ ra rằng các
tín hiệu OFDM ở trên cùng đến phía thu, khi mà sóng mang con chậm trế td so với
sóng mang con nhanh. Chúng ta lựa chọn một cửa sổ DFT có chứa một kí tự OFDM
hoàn chỉnh cho sóng mang con nhanh. Rõ ràng đó là do phân tán kênh, sóng mang con


(1.15)

Hình 1.4: Tín hiệu OFDM quang (a) Không có CP ở phía phát (b) Không có CP ở
phía thu (c) Có CP ở phía phát d) Có CP ở phía thu
Để khôi phục lại đúng kí tự OFDM mang thông tin, có hai vấn đề cần phải được
thực hiện: (1) là lựa chọn một cửa sổ DFT phù hợp, gọi là đồng bộ cửa sổ DFT và (2)
là ước lượng khoảng dịch chuyển đối với mỗi sóng mang con, gọi là ước lượng kênh
hay đồng bộ sóng mang con. Cả hai vấn đề xử lí tín hiệu này được theo đuổi nghiên
cứu một cách tích cực, và chúng được đưa ra thảo luận trên cả sách và tạp trí.
Nhóm 6

Trang 11


OFDM-RoF

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

Hình 1.5: Tín hiệu OFDM quang trong miền thời gian đối với
Một cách mô tả tiền tố lặp là một biểu thức giống như trong biểu thức (1.4) đối với
truyền tín hiệu s(t) nhưng được mở rộng dạng hàm xung (1.6) để chèn khoảng bảo vệ:

 1,(−∆ G < t ≤ ts )
Π (t ) = 
 0,(t ≤ −∆ G , t > ts )

(1.16)

Miền thời gian kí tự OFDm tương ứng được minh họa trong hình 1.5, nó chỉ ra rằng

η =2
Nhóm 6

R
BOFDM

= 2α ,

(1.19)
Trang 12


OFDM-RoF

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

α=

ts
Ts

Hình 1.6: Phổ quang (a) Ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM ) N
kênh CO-OFDM (b) Tín hiệu OFDM thu nhỏ đối với một bước sóng (c)
OFDM kênh chéo không có khoảng bảo vệ
Khi mà sử dụng giá trị khoảng bảo vệ là 8/9 thì chúng ta sẽ tính được hệ số phổ hiệu
dụng η là 1.8 Bd/Hz. Phổ hiệu dụng là 3.6 bit/s/Hz nếu sử dụng điều chế QPSK đối
vỡi mỗi sóng mang. Phổ hiệu dụng có thể được tăng lên bằng việc sử dụng điều chế
QAM. Để triển khai thực tế hệ thống CO-OFDM, phổ hiệu dụng sẽ phải giảm do cần
một khoảng bảo vệ giữa các kênh WDM.
1.2.5. Dung lượng hệ thống OFDM quang


t
= ( Rc log 2 ( M ) ) B s = ( Rc log 2 ( M ) ) Bα
Ts

Từ công thức (1.20) cho thấy, đối với một sóng mang con hay một nhóm các sóng
mang con, bốn thông số sau đây sẽ quyết định tốc độ bít: (1) tỷ lệ mã, (2) mức điều
chế, (3) độ rộng băng thông và 4 là α. Trong một hệ thống OFDM ta có thể thay đổi
các thông số này để đạt được tốc độ bít tốt nhất nhưng vẫn đảm bảo QoS cho hoàn
cảnh cụ thể của kênh tại thời điểm xét.
1.3. Sơ độ hệ thống truyền dẫn OFDM quang
Hình 1.7 là mô hình của một hệ thống OFDM, bao gồm năm khối chức năng cơ
bản: Khối phát RF OFDM, chuyển đổi từ RF sang quang (RTO), đường truyền quang,
chuyển đổi quang sang RF (OTR) và khối thu RF OFDM. Trong phần này, RF được
sử dụng để thay thế cho nhau trong miền điện để biểu thị cho giao diện vật lí điều đó
trái ngược trong miền quang. Độ tuyến tính kênh truyền dẫn là cơ sở giả định trong
OFDM. Do đó, nghiên cứu tính phi tuyến trong mỗi khối chức năng có tầm quan trọng
lớn. Khối phát và thu RF OFDM đã được nghiên cứu trong hệ thống RF và như vậy nó
vẫn giữ vai trò quan trọng trong hệ thống OFDM.
1.3.1. Khối phát RF OFDM
Dữ liệu đầu vào nối tiếp được đưa vào bộ S/P (chuyển đổi nối tiếp sang song song),
tại đây dữ liệu sẽ được chuyển thành Nsc “kí tự thông tin” song song. Những kí tự này
sẽ được đưa vào bộ mapper nhằm nâng cao dung lượng kênh truyền. Tín hiệu trong
miền thời gian thu được sau khi qua bộ mapper sẽ được đưa đến bộ điều chế OFDM
(IDFT). Khối IDFT này có nhiệm vụ rời rạc hóa tín hiệu OFDM trong miền thời gian,
giả sử tín hiệu thu được sau khi biến đổi IDFT là cki và sau đó được chèn một khoảng
bảo vệ để tránh phân tán kênh, chống nhiễu ISI (nhiễu liên kí tự) và nhiễu ICI (nhiễu
lênh lân cận). Khoảng bảo vệ sẽ được thêm vào dạng sóng của tín hiệu OFDM. Tín
hiệu băng gốc trong miền thời gian có thể được biểu diễn:


 0,(t ≤ −∆ G , t > ts )

(1.21)
(1.22)

(1.23)

Trong đó cki là kí hiệu mang thông tin thứ i tại sóng mang con thứ k, fk là tần số sóng
mang con thứ k, Nsc là số sóng mang con, Ts là thời gian một kí hiệu OFDM, ts là thời
gian kí tự OFDM hiệu dụng, ∆G là khoảng bảo vệ và ∏(t) là hàm xung đơn vị. Phần mở
rộng dạng sóng trong khoảng thời gian (-∆ G, 0) trong phương trình (1.23) đại diện cho
chèn tiền tố lặp hay khoảng bảo vệ (đã trình bày trong mục 1.2.3). Tín hiệu sau đó sẽ
được chuyển đổi từ số sang tương tự qua bộ DAC và được lọc bởi mộ bộ lọc thông
thấp loại bỏ các tín hiệu không mong muốn.
1.3.2. Khối chuyển RF sang quang và ngược lại
Tín hiệu OFDM băng gốc có thể được chuyển đổi thành RF thông qua bộ trộn tần
IQ (không được chỉ ra trong hình), Hình 1.7 là một kiến trúc nâng tần trực tiếp, ở đó
máy phát OFDM RF tạo ra tín hiệu OFDM băng gốc. Ở phía phát, bộ RTO sẽ chuyển
tín hiệu băng gốc này sang miền quang sử dụng một bộ điều chế quang. Tín hiệu
OFDM băng gốc được chuyển đổi trực tiếp tới miền quang sau đó đưa lên đường
truyền quang. Đường truyền quang sử dụng sợi đơn mode để truyền và trên đường
truyền sử dụng các bộ khuếch đại để khuếch đại tín hiệu. Ở phía thu, tín hiệu OFDM
quang được chuyển đổi thành một tín hiệu OFDM RF, ngược lại so với phía phát.

Nhóm 6

Trang 15


OFDM-RoF

truyền thông vô tuyến và quang. Một kênh vô tuyến điển hình có thể được mô
hình hóa như là sự tổng hợp của nhiều tuyến đường mà mỗi tuyến đường phải
trải qua một quá trình Reyleigh.
• Tính phi tuyến kênh: kênh vô tuyến trong không gian tự do và do đó
không có bất kỳ tính phi tuyến nào. Ngược lại, đường truyền sợi quang mang
đặc tính phi tuyến. Kết hợp cùng với tán sắc sợi quang, PMD và các hiệu ứng
PDL, kênh quang thường phức tạp hơn so với kênh vô tuyến. Thường thường,
không có bất kỳ giải pháp phân tích đóng nào đối với việc truyền dẫn phi tuyến
trong sợi quang, trong đó các giải pháp tính toán số học đối với phương trình
phi tuyến Schrodinger mô tả việc truyền sóng phi tuyến trong sợi quang được
yêu cầu để phân tích hiệu năng. Ngay từ cái nhìn đầu tiên, OFDM bị cản trở bởi
giá trị PAPR cao sẽ không phù hợp với kênh sợi quang có tính phi tuyến cao.
May mắn là sự tán sắc màu trong sợi quang như là một yếu tố thuận lợi giúp
làm giảm tính phi tuyến và các thí nghiệm thực nghiệm đã cho thấy việc truyền
dẫn thành công tốc độ 100Gb/s CO-OFDM trên tuyến đường dài 1000km sử
dụng sợi quang SSMF.
Nhóm 6

Trang 16


OFDM-RoF

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

Bảng 1.1: So sánh giữa các kênh quang và kênh không dây
Mô hình toán
Tính phi
Tốc đô
học

của sự lựa chọn thời gian được đặc trưng bởi sản phẩm của tần số Doppler
trong các hệ thống không dây (hoặc tỷ lệ quay phân cực trong các hệ thống sợi
quang) và chiều dài ký hiệu OFDM, tương đương 0,04 đối với hệ thống truyền
thông di động phổ biến (Universal Mobile Telecommunications System) hoặc
môi trường mạng LAN không dây hoặc 5 x 10 -5 đối với các hệ thống sợi quang
(sử dụng chiều dài ký hiệu 50ns và tốc độ quay phân cực 1 kHz). Sau đó, kênh
quang có thể được xem xét bán tĩnh điện. Việc ước tính kênh hiệu quả có thể
được sử dụng bằng việc tận dụng ưu điểm của đặc tính quan trọng này.
• Khuếch đại phi tuyến: đây là một yếu tố quan trọng có thể không
thường được công nhận. Trong các hệ thống không dây, tính phi tuyến chủ yếu
diễn ra trong việc khuếch đại quang, do đó ta có thể có một bộ khuếch đại
không suất RF độ bão hòa cao hoặc hoạt động tại công suất back-off vừa đủ.
Tuy nhiên trong các hệ thống sợi quang, bộ khuếch đại chiếm ưu thế là EDFA
với tính tuyến tính tuyệt vời. Điều này là do đáp ứng thời gian của EDFA tính
theo ms, do đó bất kỳ tính phi tuyến nào nhanh hơn ms thực tế sẽ bị biến mất.
Điều này rất có ý nghĩa theo nghĩa trong việc thiết kế các hệ thống CO-OFDM,
khi gặp phải việc đánh đổi giữa tổn thất quang với tổn thất RF, ta sẽ chọn cái
đầu tiên vì nó có tính tuyến tính cao hơn. Ví dụ, trong việc thiết kế bộ phát COOFDM, ta sẽ chọn việc tối thiểu hóa các ổ điện áp thành các modulator IQ
quang và khuếch đại quang tín hiệu để bù đắp tổn thất vượt quá của Modul IQ
quang.
• Khả năng chịu lỗi khi truyền dẫn out-of-band: Trong các hệ thống
không dây, do sự thiếu hụt của phổ tần số, kênh RFF được đóng gói nhỏ nhất có
thể. Do đó, có một yêu cầu truyền dẫn out-of-band giới hạn được đặt lên các bộ
phát OFDM.
Hình 1.8 chỉ ra mặt nạ truyền dẫn đối với một tín hiệu Wi-fi chỉ ra chi tiết mật độ
tương đối tối đa ở đó việc truyền dẫn bị giới hạn. Ví dụ, đối với tín hiệu Wi-Fi với
khoảng cách kênh 20 MHz, mật độ truyền dẫn tối đa tương ứng tại 11,20 và 30Mhz
Nhóm 6

Trang 17


Chương 2: Hệ thống truyền dẫn

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN RoF
Một trong những phương pháp để đạt được mạng truy nhập vô tuyến băng thông
rộng là kết hợp với kỹ thuật truy nhập bằng sợi quang, với ưu điểm là băng thông lớn
và cự ly xa. Một trong những sự kết hợp đó là kỹ thuật Radio over Fiber, một kỹ thuật
mà hiện nay được coi là nền tảng cho mạng truy nhập không dây băng thông rộng
trong tương lai. Tuy kỹ thuật RoF chỉ mới trong giai đoạn nghiên cứu, phát triển và
thử nghiệm nhưng những kết quả mà nó mạng lại rất khả quan, khiến nhiều người tin
tưởng đó sẽ là một kỹ thuật cho các ứng dụng mạng truy nhập vô tuyến trong tương
lai. Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về hệ thống RoF cũng như các kĩ thuật
được sử dụng trong RoF và ứng dụng của RoF.
2.1. Tổng quan
2.1.1. Khái niệm
Truyền sóng vô tuyến trên sợi quang, Radio over Fiber hay gọi tắt là RoF là
phương pháp truyền tín hiệu vô tuyến đã được điều chế trên sợi quang. Hay nói cách
khác RoF sử dụng các tuyến quang có độ tuyến tính cao để truyền dẫn các tín hiệu RF
(analog) đến các trạm thu phát.
Công nghệ truyền sóng vô tuyến qua sợi quang sử dụng đường truyền sợi quang để
phân phối các tín hiệu tấn số vô tuyến (RF) từ các vị trí trạm trung tâm đến các khối
anten đầu xa (RAUs), hình 2.1.

Hình 2.1: Nguyên lý hệ thống Radio over Fiber
2.1.2. Các thành phần cơ bản của tuyến truyền dẫn RoF
Một tuyến RoF có kiến trúc như hình dưới sẽ bao gồm ít nhất là thành phần biến đổi
sóng vô tuyến sang quang, thành phần chuyển đổi quang thành sóng vô tuyến, một
tuyến quang (song hướng hay đơn hướng).

Nhóm 6

Một tuyến quang nối giữa BS và CS nhằm truyền dẫn tín hiệu giữa chúng
với nhau.
Các thành phần của mạng được biểu diễn như hình vẽ 2.2.

Hình 2.2: CS – BS – MH một microcell trong kiến trúc RoF
2.1.3. Xu thế mạng truy nhập vô tuyến hiện tại và sự chuyển sang băng tần
milimet
a. Mạng truy nhập vô tuyến hiện đại
Mạng truy nhập vô tuyến hiện nay có thể được chia làm 2 loại là vô tuyến di động
(mobile) như mạng thông tin di dộng 1G, 2G, 3G, WiMax… và vô tuyến cố định
(fixed) như WiFi. Trong các mạng này thì người ta chú ý nhất đến 2 yếu tố đó là băng
thông và tính di động. So với mạng cố định thì mạng mobile có tính di động cao hơn
nhưng bù lại thì băng thông của nó lại thấp hơn ví dụ WiFi có thể đạt tới tốc độ
Nhóm 6

Trang 20


OFDM-RoF
RoF

Chương 2: Hệ thống truyền dẫn

108Mbps trong khi mạng 3G xu hướng chỉ đạt được 2Mbps còn mạng WiMax có thể
có tốc độ cao hơn, tính di động cũng cao nhưng vẫn còn trong giai đoạn thử nghiệm
nhờ sử dụng các kỹ thuật mới tiên tiến hơn. Như vậy ta thấy rằng xu hướng của các
mạng vô tuyến ngày nay là tính di động và băng thông ngày càng tăng để đạt được
mạng băng thông rộng.
b. Sự kết hợp giữa sợi quang và vô tuyến
Để đạt được mạng băng thông tăng, ngày nay các công nghệ truy nhập vô tuyến

đưa ra các giải pháp :
• Cấu trúc BS thật đơn giản
• Đưa ra kiến trúc mạng tập trung
Với kiến trúc mạng tập trung, các chức năng như xử lí tín hiệu, định tuyến, chuyển
giao,… được thực hiện tại mạng trung tâm CS (Central Station), mỗi CS này phục vụ
càng nhiều BS càng tốt, nhờ kiến trúc tập trung này thì rõ ràng các BS thật sự đơn
giản, nhiệm vụ của chúng bay giờ chỉ còn là phát các tín hiệu vô tuyến nhận được từ
CS và chuyển các tín hiệu nhận được từ MH (Mobile Host) về CS. So với các mạng
cellular khác thì các BS có chức năng đơn giản hơn nhiều vì ngoài chức năng thu phát
Nhóm 6

Trang 21


OFDM-RoF
RoF

Chương 2: Hệ thống truyền dẫn

sóng thông thường thì các BTS này có thêm chức năng xử lí tín hiệu (giải điều chế rồi
truyền về các BSC bằng luồng T1/E1 được nối bằng cáp quang hay vô tuyến).
Để kết nối CS với các BS, người ta sử dụng sợi quang với những ưu điểm
không thể thay thế được đó là băng thông lớn và suy hao bé, mỗi sợi quang có thể
truyền được tốc độ hàng trăm Gbps với chiều dài lên đến hàng chục km. Các kĩ thuật
để truyền dẫn tín hiệu vô tuyến từ CS tới BS và ngược lại được gọi là kĩ thuật RoF,
còn mạng truy nhập vô tuyến dựa trên kỹ thuật RoF được gọi là mạng truy nhập vô
tuyến RoF mà ta gọi tắt là mạng RoF.
2.2. Kĩ thuật RoF
2.2.1. Mô hình truyền dẫn sợi quang hiện tại
Tuyến truyền dẫn sợi quang tổng quát được mô tả như hình 2.3. Tín hiệu được sử


OFDM-RoF
RoF

Chương 2: Hệ thống truyền dẫn

việc triển khai các mạng khu vực trong các tòa nhà sẽ là ưu điểm lớn hơn rất nhiều so
với cáp đồng.
2) Bộ phát quang:
Hoạt động của Laser:
Laser là cụm từ viết tắt của khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích (LASER–
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Việc phát xạ kích thích cho
phép laser tạo ra các chùm sáng kết hợp công suất cực lớn (ánh sáng chứa nhiều nhiều
bước sóng riêng biệt)
Cơ chế của phát xạ kích thích dựa trên các mức năng lượng của nguyên tử. Nguyên
tử ở trạng thái ổn định (trạng thái nền) sẽ có các điện tử ở mức năng lượng thấp nhất
có thể. Trong mỗi nguyên tử, tồn tại các mức năng lượng rời rạc gọi là các trạng thái.
Để chuyển mức của nguyên tử từ trạng thái nền, nguyên tử phải hấp thu năng lượng.
Sau đó, nguyên tử sẽ không ổn định và có xu hướng quay trở lại trạng thái nền bằng
việc phát xạ ra photon – phân tử ánh sáng.
Với một số chất nhất định, các trạng thái của chúng là gần ổn định, có nghĩa là
chúng có xu hướng ở các trạng thái kích thích lâu hơn mà không bị phát xạ ngay lập
tức. Bằng việc hấp thụ đủ năng lượng (dưới dạng sóng bơm quang hoặc dòng điện) đủ
lâu đối với một chất có các trạng thái gần ổn định, hiện tượng đảo mật độ sẽ xảy ra,
đồng nghĩa với việc có nhiều điện tử hơn ở trạng thái kích thích hơn là trạng thái nền.
Sự đảo ngược này cho phép chất đó phát xạ nhiều ánh sáng hơn là nó hấp thụ.
Hình 2.4 mô tả cấu trúc chung của một laser, bao gồm 2 gương tạo thành một hốc,
môi trường laser và thiết bị kích thích. Thiết bị kích thích sử dụng dòng điện cho môi
trường laser – được tạo từ các chất có trạng thái gần ổn định. Dòng điện sẽ kích thích
các điện tử trong môi trường laser và khi điện tử trở lại trạng thái nền nó sẽ phát xạ ra

dẫn, các điện tử có thể tồn tại ở vùng dẫn hoặc vùng hóa trị. Vùng hóa trị và vùng dẫn
tương tự như trạng thái nền và trạng thái kích thích của điện tử. Vùng hóa trị đại diện
cho một mức năng lượng mà tại đó một điện tử sẽ không tự do thoát khỏi nguyên tử.
Vùng dẫn đại diện cho một mức năng lượng mà tại đó một điện tử sẽ trở thành một
điện tử tự do và có thể di chuyển có hướng để tạo ra dòng điện. Vùng năng lượng giữa
vùng dẫn và vùng hóa trị là vùng cấm. Một điện tử có thể không chiếm bất kì mức
năng lượng nào trong vùng cấm. Khi một điện tử di chuyển từ vùng hóa trị sang vùng
dẫn, nó sẽ tạo ra một lỗ trống trong vùng hóa trị. Khi điện tử chuyển từ vùng dẫn về
vùng hóa trị, nó sẽ kết hợp với lỗ trống và phát xạ tự phát. Tần số của photon được
tính theo công thức ở trên với Ei – Ef là năng lượng vùng cấm
Một chất bán dẫn có thể pha tạp với các tạp chất để gia tăng số lượng điện tử hay lỗ
trống. Bán dẫn loại n được pha với tạp chất để tăng số lượng điện tử. Các điện tử này
sẽ duy trì ở vùng dẫn. Bán dẫn loại p được pha với tạp chất để tăng số lượng lỗ trống ở
vùng hóa trị. Tiếp giáp p-n sẽ được hình thành bởi lớp vật liệu bán dẫn loại p và vật
liệu bán dẫn loại n.
Với mục đích tạo ra phát xạ kích thích, điện thế được đặt vào tiếp giáp p-n để phân
cực thiết bị và làm cho các điện tử ở vùng n kết hợp với các lỗ trống ở vùng p, dẫn tới
năng lượng ánh sáng được giải phóng tại tần số có liên quan tới vùng cấm của thiết bị.
Bằng việc sử dụng các vật liệu bán dẫn khác nhau, ánh sáng với dải tần số thay đổi có
thể được sinh ra. Tần số thực tế của ánh sáng phát xạ ra bởi laser còn được quyết định
bởi chiều dài hốc cộng hưởng.
Điều chế quang
Nhóm 6

Trang 24


OFDM-RoF
RoF


Việc khuếch đại toàn quang có thể khác so với khuếch đại quang điện ở chỗ nó chỉ
thực hiện việc khuếch đại công suất tín hiệu chứ không định đạng hay định thời lại tín
hiệu. Kiểu khuếch đại này gọi là 1R và là hoàn toàn trong suốt đối với dữ liệu (quá
trình khuếch đại độc lập với kiểu điều chế tín hiệu). Các bộ khuếch đại 1R là sự lựa
chọn cho các mạng toàn quang trong tương lai. Các bộ khuếch đại quang-điện có thể
thực hiện được cả 3 chức năng (3R) là tái tạo, định dạng và định thời. Tín hiệu quang
đi vào bộ khuếch đại quang-điện đầu tiên sẽ được chuyển đổi sang miền điện và trước
khi truyền đi sẽ lại được chuyển sang miền quang. Việc định dạng lại tín hiệu sẽ định
lại dạng xung ban đầu của mỗi bit, loại bỏ đi nhiễu. Việc định dạng lại chủ yếu áp
dụng cho tín hiệu được điều chế số nhưng trong một vài trường hợp nó vẫn được áp
dụng với các tín hiệu tương tự. Việc định thời lại tín hiệu sẽ đồng bộ bit thời gian
chuẩn và tốc độ bit và chỉ áp dụng cho tín hiệu được điều chế số.
Khuếch đại quang sử dụng nguyên lý phát xạ kích thích, tương tự như nguyên lý
được sử dụng trong laser. Hai loại bộ khuếch đại quang cơ bản là bộ khuếch đại quang
bán dẫn và bộ khuếch đại quang sợi pha tạp phần tử đất hiếm (như erbium, holmium,
Nhóm 6

Trang 25