MỤC LỤC
Trang
CHƯƠNG 1.......................................................................................................................................... 6
GIỚI THIỆU CHUNG.............................................................................................................................. 6
HÌNH 1.1. BẢN VẼ PHOTOPHONE CỦA ALEXANDER GRAHAM BELL VÀ CHARLES SUMNER.....................7
HÌNH 1.2. KIẾN TRÚC KẾT NỐI IR ĐẦU TIÊN ĐƯỢC ĐỀ XUẤT BỞI GFELLER VÀ CÁC CỘNG SỰ..................8
BẢNG 1.1. SO SÁNH MỘT SỐ THUỘC TÍNH GIỮA FSO VÀ RF................................................................10
CHƯƠNG 2........................................................................................................................................ 19
KỸ THUẬT QUANG KHÔNG DÂY.......................................................................................................... 19
HÌNH 2.3. (A) SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG FSO THÔNG THƯỜNG; (B) SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG FSO SỬ DỤNG
MRR.................................................................................................................................................. 21
HÌNH 2.6. CÁC CẤU HÌNH MÁY THU: (A) MÁY THU KÊNH ĐƠN;(B) MÁY THU PHÂN TẬP GÓC; (C) MÁY
THU PHÂN TẬP HÌNH ẢNH................................................................................................................. 30
HÌNH 2.9. SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG FSO SỬ DỤNG SIM; (A)PHÍA PHÁT; (B) PHÍA THU TIA – TRANSIMPEDANCE; OBPF – OPTICAL BAND PASS FILTER (BỘ LỌC QUANG THÔNG DẢI).................................37
CHƯƠNG 3........................................................................................................................................ 58
ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG KHÔNG DÂY TRONG NHÀ........................................58
BẢNG 3.1: CÁC THAM SỐ CỦA LIÊN KẾT QUANG GIẢ ĐỊNH.................................................................65
BẢNG 3.2 CÁC THAM SỐ CỦA PHÂN TÍCH SỐ......................................................................................66
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................... 73


DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH
CHƯƠNG 1.......................................................................................................................................... 6
GIỚI THIỆU CHUNG.............................................................................................................................. 6
HÌNH 1.1. BẢN VẼ PHOTOPHONE CỦA ALEXANDER GRAHAM BELL VÀ CHARLES SUMNER.....................7
HÌNH 1.2. KIẾN TRÚC KẾT NỐI IR ĐẦU TIÊN ĐƯỢC ĐỀ XUẤT BỞI GFELLER VÀ CÁC CỘNG SỰ..................8
BẢNG 1.1. SO SÁNH MỘT SỐ THUỘC TÍNH GIỮA FSO VÀ RF................................................................10
CHƯƠNG 2........................................................................................................................................ 19
KỸ THUẬT QUANG KHÔNG DÂY.......................................................................................................... 19
HÌNH 2.3. (A) SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG FSO THÔNG THƯỜNG; (B) SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG FSO SỬ DỤNG
MRR.................................................................................................................................................. 21


CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia
theo mã

CN

Continuous wave

Bước sóng liên tục

DBIR

Directed Beam Infrared Radiation

Bức xạ hồng ngoại búp
sóng trực tiếp

DFIR

Diffuse Infrared Radiation

Bức xạ hồng ngoại
khuếch tán

DPIM


CMDA nhảy tần

FOV

Field Of View

Vùng nhìn thấy

FSO

Free Space Optical

Công nghệ quang không
dây

IM/DD

Intensity Modulation with Direct
Detection

Điều chế cường độ và
tách sóng trực tiếp

IR

Infrared

Hồng ngoại

IrDA


3


LOS

Light Of Sight

Tầm nhìn thẳng

MAN

Metro Area Network

Mạng đô thị

M-ASK

Multiple Amplitude Shift Keying

Điều chế dịch biên M
trạng thái

M-FSK

Multiple Frequency Shift Keying

Điều chế dịch tần M
trạng thái


National Aeronautics and Space
Administration

Cục Quản trị Hàng
không và Không gian
Quốc gia

NLOS

Non Light of sight

Không có tầm nhìn
thẳng

NRZ

Non-Return to Zero

Mã không về không

OBPF

Optical band pass filter

Bộ lọc quang thông dải

OOK

On-Off Keying



QAM

Quadrature amplitude modulation

Điều chế biên cầu
phương

QDIR

Quasi-diffuse Infrared Radiation

Bức xạ hồng ngoại cận
khuếch tán

RF

Radio Frequent

Tần số vô tuyến

RZ

Return to Zero

Mã trở về không

4




Điều chế mã lưới

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia
theo thời gian

TIA

trans-impedance

Trở kháng chuyển đổi

TV

Television

VLC

Visible Light Communication

Truyền thông ánh sáng
nhìn thấy

WAN

Wide Area Network

lính thời Hy Lạp cổ đại đã từng sử dụng những cái khiên được đánh bóng, để gửi
mệnh lệnh chiến đấu cho nhau qua một khoảng cách rất xa, nhờ sự phản chiếu
của ánh sáng mặt trời. Gần đây hơn, những chiếc "máy quang báo" (heliographs)
đã được sử dụng để tiếp nhận các tín hiệu quân sự theo cách tương tự. Nhiều năm
trước, hải quân Anh đã từng bước dùng những chiếc đèn Aldis để chuyển các tín
hiệu Morse từ tàu này sang tàu kia. Trong vài năm qua, một số ít công ty, như
Terabeam, LightPointe và Cablefree Solutions, đã bắt đầu cung cấp cho các
doanh nghiệp những hệ thống quang học điểm nối điểm (point-to-point optical
systems) có thể gửi dữ liệu giữa các toà nhà.
FSO đòi hỏi việc truyền dữ liệu từ điểm này đến điểm khác bằng bức xạ
quang qua không gian. Mặc dù ý tưởng truyền thông tin bằng ánh sáng qua
không gian đã xuất hiện từ rất lâu,nhưng phải đến năm 1880 khi Alexander
Graham Bell phát minh ra Photophone thì công nghệ FSO mới chính thức được
biết đến. Trong thử nghiệm của mình, Bell đã điều chế bức xạ ánh sáng mặt trời
kết hợp cùng tín hiệu thoại và truyền dẫn với cự ly khoảng 200m. Điểm thu là 1
gương parabol với 1 khối selen ở tâm. Tuy nhiên, thử nghiệm không mấy thành
công, do giới hạn của trang thiết bị và sự không liên tục của bức xạ ánh sáng mặt
trời.

6


Hình 1.1. Bản vẽ Photophone của Alexander Graham Bell và Charles Sumner
Sau một thời gian dài không phát triển, cho đến đầu những năm 1960, việc
tìm ra nguồn quang, và quan trọng nhất là tia laze, đã đánh dấu bước phát triển
mới của công nghệ FSO. Những năm 1960 cho đến 1970, một loạt các thử
nghiệm đã được ghi nhận. Năm 1962, Phòng thí nghiệm MIT Lincolns bằng việc
sử dụng đi-ốt phát quang GaAs đã truyền dẫn tín hiệu truyền hình đi được
khoảng 30 dặm (48km). Tháng 3 năm 1963, một nhóm nghiên cứu làm việc tại
hãng hàng không North American đã thử nghiệm và giới thiệu chiếc TV laze đầu

Trong khoảng thời gian trên, FSO tiếp tục được nghiên cứu và sử dụng
trong quân đội cho thông tin liên lạc mật. FSO còn được NASA và ESA nghiên
cứu phục vụ cho các ứng dụng không gian sử dụng trong các dự án như Mars
Laser Communication Demonstration (MLCD) and the Semiconductor-laser
Inter-satellite Link Experiment (SILEX).
Gần đây, với sự phát triển nhanh chóng và mạnh mẽ của các thiết bị quang
điện, và nhu cầu sử dụng băng thông lớn, việc hạn chế băng thông của các công
nghệ cũ, FSO một lần nữa được quan tâm. Các thành công của FSO trong lĩnh

8


vực quân sự đã khơi dậy sự quan tâm đưa FSO vào ứng dụng trong mạng truy
nhập dân sự, một số thử nghiệm thành công FSO được ghi nhận trong vài năm
qua là động lực khuyến khích, thúc đẩy các nhà đầu tư nghiên cứu vào lĩnh vực
này. Việc thương mại hóa và triển khai FSO vào hạ tầng truyền thông hiện nay
đang là nhu cầu hàng đầu.
1.2. Giới thiệu chung
Trong những năm gần đây, đã có sự chuyển dịch mạnh mẽ về nhu cầu sử
dụng thiết bị, từ cố định sang di động. Máy ảnh, máy quay kỹ thuật số, laptop
giúp người sử dụng lưu giữ và xử lý một lượng lớn thông tin. Thực tế này đã đòi
hỏi việc trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị di động với cơ sở hạ tầng cố định như
mạng đường trục, các thiết bị lưu trữ dữ liệu… Để giải quyết yêu cầu này, giải
pháp khả thi là sử dụng liên kết điện trực tiếp giữa các thiết bị di động và một
host qua đường truyền vật lý (cáp). Nhưng các kết nối vật lý này có nhược điểm
lớn là biệt là bất tiện cho người sử dụng.
Tần số vô tuyến (Radio Frequency – RF) khắc phục được hầu hết các
nhược điểm của một liên kết cố định. RF và mạng không dây sử dụng công nghệ
sóng mm có thể cung cấp lưu lượng hàng chục Mbps (kết nối điểm-đa điểm) và
hàng trăm Mpbs (kết nối điểm-điểm). Tuy nhiên, nó có hạn chế ở vấn đề băng


$

$$

Thiết kế vòng RF

Không

Có

Cấp phép băng thông

Không

Có

Tốc độ dữ liệu

100’s Mbps

10’s Mbps

Bảo mật

Cao

Thấp

Truyền qua tường

(Electromagnetic Interference – EMI). Ngoài ra, IR không gây nhiễu và không bị
ảnh hưởng bởi các tần số vô tuyến điện. Do đó, IR được lựa chọn sử dụng trong
các môi trường mà nhiễu phải được cực tiểu hóa hoặc bị loại bỏ như trong môi
trường y tế, bệnh viện. Ví dụ Hagihina và cộng sự đã chỉ ra rằng mạng cục bộ
không dây (Wireless Local Area Netwwork – WLAN) phát và quản lý thông tin
bệnh nhân gây nhiễu cục bộ với các thiết bị y tế như máy điều hòa nhịp tim… có
thể gây ảnh hưởng đến bệnh nhân, trong trường hợp này, mạng LAN sử dụng IR
hiệu quả và an toàn hơn.
Một ưu điểm nữa của công nghệ IR là tính bảo mật cao. Do bức xạ IR
cũng giống với ánh sáng nhìn thấy, tức là có thể xuyên qua thủy tinh nhưng
không thể xuyên qua các bức tường, đồng nghĩa với việc khi tín hiệu IR được
phát ánh sáng mang thông tin bị giữ lại trong phòng (nếu không có vật cản trong
suốt giữa các phòng). Điều này có ý nghĩa thông tin bị ngăn không thoát ra
ngoài, tránh được việc bị phát hiện và nghe trộm.
Công nghệ IR với chi phí thấp, kích thước nhỏ, khả năng triển khai nhanh,
linh hoạt trong việc thiết lập các đường liên kết truyền thông tạm thời. Điều này
có được là do các hệ thống truyền thông IR sử dụng các thiết bị quang điện tử
được phát triển và cải tiến qua hàng chục năm; ví dụ như đi-ốt phát quang (LightEmiting Diode – LED) với thời gian đáp ứng nhanh, công suất bức xạ đầu ra cao,
laze đi-ốt (Laser Diode – LD) và bộ tách sóng photon đi-ốt (PIN).

11


Bên cạnh những ưu điểm trên, công nghệ IR cũng tồn tại những nhược
điểm: Liên kết có thể bị chặn bởi chướng ngại vật, làm tổn hao tín hiệu thu, hoặc
ngắt đường truyền hệ thống. Khi hoạt động trong môi trường có sự hiện diện của
các nguồn ánh sáng khác, nếu các nguồn ánh sáng này nằm trong phổ tần của
máy phát và máy thu IR sẽ gây pha tạp, dẫn đến giới hạn khoảng cách hệ thống.
Tuy có thể khắc phục được các nhược điểm trên bằng cách tăng mức công suất
quang ở máy phát, nhưng với mức phát xạ công suất cao, công nghệ này vẫn có

các chướng ngại giữa máy phát và máy thu, vấn đề của NLOS là nhiễu đa
đường.

13


Bảng 1.2. Đặc điểm của các cấu hình khác nhau trong hệ thống truyền thông
không dây IR
LOS

NLOS

Có hướng
(directed)

• Tầm nhìn trực tiếp giữa
máy phát và máy thu
• Chuẩn trực (Collimated)
chùm tia phát xạ từ máy
phát
• Vùng nhìn thấy (Field-ofview – FOV) tại máy thu
hẹp
• Tốc độ bit tối đa
• Tính linh hoạt bị hạn chế
• Tăng hiệu suất
• Dễ bị blocking
• Giảm thiểu nhiễu đa đường

• Không có tầm nhìn trực
tiếp giữa máy phát và

• Nhiễu đa đường cao

Lai ghép
(hybird)

• Tầm nhìn trực tiếp giữa
máy phát và máy thu
• Chuẩn trực chùm tia phát
xạ từ máy phát và chùm tia
phát xạ từ máy phát rộng
hoặc cùm tia phát xạ từ
máy phát rộng và vùng nhìn
thấy tại máy thu hẹp
• Tương đối linh hoạt
• Tương đối nhạy cảm với
blocking

• Không có tầm nhìn trực
tiếp giữa máy phát và
máy thu
• Chuẩn trực chùm tia phát
xạ từ máy phát và chùm
tia phát xạ từ máy phát
rộng hoặc cùm tia phát xạ
từ máy phát rộng và vùng
nhìn thấy tại máy thu hẹp
• Tương đối linh hoạt
• Tương đối nhạy cảm với
blocking


học vô tuyến FSO. Sương mù là 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. Điều này có thể dẫn đến
sự suy giảm mật độ công suất của búp sóng phát, giảm cự ly hoạt động của tuyến
FSO.
b) Sự nhấp nháy: Sự nhấp nháy là sự biến đổi về không gian của cường độ
sáng gây ra bởi sự hỗn loạn không khí. Gió và sự thay đổi nhiệt độ tạo ra những
túi khí có mật độ thay đổi nhanh dẫn tới sự thay đổi nhanh chỉ số chiết xuất, đó
chính là nguyên nhân gây ra sự hỗn loạn. Các túi khí này đóng vai trò như những
thấu kính có đặc tính thay đổi theo thời gian và làm tỷ lệ lỗi bit của các hệ thống
FSO tăng mạnh, đặc biệt là khi có ánh sáng mặt trời.
c) Sự trôi búp: Sự trôi búp xảy ra khi luồng gió hỗn loạn (gió xoáy) lớn
hơn đường kính của búp sóng quang gây ra sự dịch chuyển chậm nhưng đáng kể
của búp sóng quang. Sự trôi búp cũng có thể là kết quả của các hoạt động địa
chấn gây ra sự dịch chuyển tương đối giữa vị trí của laser phát và bộ thu quang.
d) Giữ thẳng hướng phát-thu khi tòa nhà dao động: Giữ thẳng hướng giữa
khối phát và khối thu là rất quan trọng, nhằm đảm bảo sự thành công của việc
truyền tín hiệu. Đây thực sự là vấn đề phức tạp khi sử dụng búp sóng hẹp phân

16


tán góc và tầm nhìn (FOV). Sự dãn nhiệt của các phần khung tòa nhà hoặc những
trận động đất yếu, có thể gây ra sự lệch hướng. Trong khi sự dãn nhiệt có đặc
tính chu kỳ theo ngày hoặc mùa thì động đất lại không thể dự đoán được. Một
nguyên nhân gây ra sự lệch hướng nữa là gió, đặc biệt khi các thiết bị thu phát
được đặt trên các tòa nhà cao. Sự dao động của tòa nhà là một quá trình ngẫu
nhiên làm ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống và gây ra lỗi.
e) Sự an toàn cho mắt: Với sự gia tăng của các hệ thống truyền thông

Các cấu hình khác nhau cũng được đề cập tới trong chương, nêu lên
những ưu, nhược điểm và so sánh chúng với nhau. Hệ thống FSO sử dụng IR có
thể được phân chia theo góc định hướng của máy phát (có hướng, vô hướng, lai
ghép) hoặc sự tồn tại tầm nhìn thẳng giữa máy phát và máy thu (LOS, NLOS).
Một số mạng không dây sử dụng IR đã được sản xuất để phục vụ giáo dục
và thương mại. Đối với hệ thống ngoài trời tốc độ, thực nghiệm đã truyền dữ liệu
với tốc độ lên tới 40 Gbps, khoảng cách hơn 25 dặm, với hệ thống trong nhà, tốc
độ 155 Mbps và khoảng cách là 30 m.
Với các ưu điểm của mình FSO đang được đặc biệt quan tâm. Các nhà sản
xuất, nhà nghiên cứu đang nỗ lực tìm cách cải thiện, nâng cao tốc độ bit và đạt
được tỉ số tín hiệu trên nhiễu cao hơn, giảm công suất tiêu thụ của hệ thống. Các
cấu trúc liên kết và kiến trúc truyền thông quang học không dây mới được đề
xuất, rất nhiều thí nghiệm và phân tích kênh vô tuyến IR đã và đang được tiến
hành. Có thể tin tưởng rằng, trong tương lai, FSO sẽ đặc biệt phát triển triển
mạnh mẽ và ứng dụng rộng rãi.

18


CHƯƠNG 2
KỸ THUẬT QUANG KHÔNG DÂY
2. Hệ thống quang không dây
2.1. Mô tả hệ thống
2.1.1. Khái quát hệ thống
Sơ đồ khối của một hệ thống FSO điển hình được thể hiện trong hình 2.1.
Cũng như các hệ thống truyền thông khác, hệ thống FSO gồm ba khối chính:
khối phát, môi trường truyền dẫn và khối thu.

Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ thống FSO
Về cơ bản, FSO là việc chuyển các tín hiệu,dữ liệu,thông tin giữa hai điểm


20


Hệ thống truyền thông FSO có hai dạng. Dạng thứ nhất là hệ thống FSO
thông thường (Hình 2.3a) cấu hình điểm điểm với hai điểm thu phát giống nhau.
Dạng thứ hai là hệ thống FSO sử dụng điều chế đảo hướng (Modulated Retro
Reflector – MRR). Liên kết laze truyền thông sử dụng MRR gồm hai thiết bị đầu
cuối khác nhau, liên kết bất đối xứng (Hình 2.3 b).

Hình 2.3. (a) Sơ đồ khối hệ thống FSO thông thường; (b) Sơ đồ khối hệ thống
FSO sử dụng MRR
Trong hình 2.3b, một đầu cuối sử dụng điều chế đảo hướng MRR, đầu
cuối còn lại là thiết bị truy vấn (interrogator). Bên truy vấn sẽ chiếu một chùm
laze có bước sóng liên tục (Continuous wave – CN) về phía MRR. Sau đó,
MRR điều chế chùm tia CN với các chuỗi dữ liệu đầu vào và đảo hướng trở về
bên truy vấn. Đầu truy vấn nhận và tổng hợp các chùm tia phản hồi và khôi
phục chuỗi dữ liệu. Có thể biến hệ thống đơn công trên, thành hệ thống bán
song công bằng cách thêm bộ tách sóng quang tại đầu cuối MRR.

21


2.1.2. Các tính năng cơ bản của hệ thống FSO
a) Băng thông điều chế lớn: Nói chung, tần số sóng mang quang học bao
gồm hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy và tia cực tím lớn hơn nhiều so với RF.
Trong bất cứ hệ thống truyền thông nào, lượng thông tin được chuyển đi đều
liên quan trực tiếp liên quan đến băng thông. Việc sử dụng sóng mang quang
học có dải tần từ 1012 – 1016 Hz tương đương với 2000 THz băng thông dữ liệu,
trong khi dải tần của RF chỉ khoảng 105.

định. Không chỉ FSO, các hệ thống sử dụng RF hay liên lạc vệ tinh cũng bị mất
trong thời tiết mưa to hay bão.
Ngoài các đặc điểm kể trên, hệ thống FSO còn có các tính năng khác như:
• Được hưởng lợi từ hệ thống quang sợi và quang điện tử hiện có.
• Không gây nhiễu điện từ.
• Khác với hệ thống sử dụng dây, FSO không cố định và có thể phục
hồi.
• Bức xạ phải nằm trong giới hạn an toàn.
• Công suất tiêu thụ thấp.
• Yêu cầu tầm nhìn và sự chính xác trong lắp đặt (do chùm tia rất
hẹp).
2.1.3. Bước sóng hoạt động
Bước sóng hoạt động là tham số quan trọng của hệ thống FSO. Việc lựa
chọn bước sóng hoạt động dựa trên nhiều tham số kỹ thuật như sự an toàn cho
mắt, quỹ đường truyền, sự khả dụng của nguồn tốc độ cao và khả năng, chi phí
xây dựng hệ thống WDM.
Các hệ thống thông tin quang vô tuyến hiện nay sử dụng các bước sóng
trong khoảng từ 400 nm – 2000 nm. Bức xạ cực tím (bước sóng λ < 400 nm)
không được sử dụng. Các bước sóng λ > 2000 nm yêu cầu các thiết bị tách sóng
phải được làm mát để giảm nhiệt của các sóng mang.
Tương tự như thông tin sợi quang, hệ thống FSO sử dụng các băng tần:
• Băng tần có bước sóng 400 nm – 750 nm, đây là dải phổ ánh sáng
nhìn thấy. Băng tần này được sử dụng cho truyền thông ánh sáng

23


nhìn thấy (Visible Light Communication – VLC). Hiện tại người
ta mới chỉ sử dụng được có 3 dãy Red Green Blue (phát ra từ đèn
LED) trong toàn bộ vùng phổ này để truyền thông tin.


*

*

Độ dự trữ (link margin)

*

**

***

***

An toàn cho da và mắt

**

**

**

**

Độ nhạy cảm với ánh sáng
nền

*



*

**

**

***: thuận lợi; **: trung bình; *: không thuận lợi

24


2.2. Các thành phần hệ thống
Các phần tử như LD, LED, các máy thu tốc độ cao, các bộ khuếch đại
quang, điều chế quang… đã được nghiên cứu và phát triền khoảng hơn 30 năm
cho các hệ thống thông tin sợi quang. Các phần tử này cũng được sử dụng cho
các hệ thống quang vô tuyến.
2.2.1. Máy phát
Việc lựa chọn nguồn quang phụ thuộc phần lớn vào chi phí và chất lượng.
Đối với các hệ thống có chi phí không cao, có hai sự lựa chọn nguồn quang: đi-ốt
phát quang (LED) và laze đi-ốt (LD).
Ưu điểm của LED là chi phí thấp, mạch điều khiển đơn giản đi cùng với
đó là những nhược điểm, hiệu quả biến đổi điện-quang thấp, băng thông hạn chế,
độ rộng phổ lớn (khoảng 40nm), điều này không cho phép sử dụng bộ lọc quang
băng hẹp ở máy thu. Do đó, LED thường được sử dụng trong các ứng dụng có
chi phí thấp, tốc độ dữ liệu không quá 100 Mbps. LED có công suất thấp, do đó
có thể đáp ứng các yêu cầu về an toàn mắt mà không cần các phẩn tử hỗ trợ.
LED có thể hoạt động ở các bước sóng khác nhau phụ thuộc vào vật liệu. Bảng
2.2 mô tả các vật liệu bán dẫn và bước sóng phát xạ được sử dụng của LED.
Bảng 2.2. Vật liệu bán dẫn và bước sóng của LED