HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
------------------------------------------

THÂN VĂN TỊNH

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ OFDM QUANG TRONG ROF VÀ
ỨNG DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI – 2016


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
-----------------------------------------

THÂN VĂN TỊNH
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ OFDM QUANG TRONG ROF VÀ
ỨNG DỤNG

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
MÃ SỐ: 60. 52. 02. 08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HOÀNG VĂN VÕ

HÀ NỘI - 2016



Thân Văn Tịnh


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... ii
MỤC LỤC .................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...........................................................................v
DANH SÁCH BẢNG .................................................................................................. vii
DANH SÁCH HÌNH VẼ ........................................................................................... viii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ OFDM QUANG............................................................ 3
1.1Tính trực giao trong kỹ thuật OFDM [15] ......................................................... 3
1.2 Mô hình hệ thống OFDM quang .......................................................................5
1.3 Các khối chức năng.............................................................................................. 6
1.3.1 Khối phát RF OFDM ......................................................................................6
1.3.2 Khối chuyển RF sang quang .........................................................................13
1.3.3 Kênh truyền quang và bộ khuếch đại quang .................................................16
1.3.4 Khối chuyển quang sang RF .........................................................................19
1.3.5 Khối thu RF OFDM ...................................................................................... 19
1.4 Ưu và nhược điểm của kỹ thuật OFDM .......................................................... 21
1.4.1 Ưu điểm của OFDM .....................................................................................21
1.4.2 Nhược điểm của OFDM. ...............................................................................21
1.5 Kết luận chương 1: ............................................................................................ 22
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN RoF ...................................................... 23
2.1. Tổng quan hệ thống truyền dẫn RoF ........................................................... 23
2.1.1 Giới thiệu chung ............................................................................................ 23
2.1.2 Kiến trúc hệ thống RoF ...............................................................................24

LTE/LTE Advanced ............................................................................................... 56
3.5. Kết luận chương 3 ............................................................................................. 70
KẾT LUẬN ..................................................................................................................71
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 73


v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

APD

Amflify and forward

Khuếch đại và chuyển tiếp

BBOF

Baseband-over-fiber

Tín hiệu băng gốc qua sợi
quang

BS


Digital Video Broadcasting

Truyền hình quảng bá số

DWDM

Dense Wavelength Division Multiplexxing

Ghép kênh phân chia theo
bước sóng ghép chặt

EDFA

Erbium Doped Fiber Amplifier

Khuếch đại sợi quang pha tạp
đất hiếm

FEC

Forward Error Correction

Sự sửa lỗi trước

GSM

Global System for Mobile

Hệ thống di động toàn cầu


Can nhiễu giữa các kí tự

MZM

Mach-Zehnder Modulator

Bộ điều chế Mach-Zehnder

OFA

Optical fiber amplifier

Khuếch đại quang sợi

OFDM

Orthogonal Frequency Division

Ghép kênh phân chia theo tần số

Multiplexing

trực giao


vi

PARP

Peak to Average Power Ratio

quang

RVC

Road Vehicle Communication

Truyền thông giữa các phương
tiện giao thông

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SCM

Sub-Carrier Multiplexing

Ghép kênh sóng mang con

UMTS

Universal Mobile Telecommunications

Hệ thống thông tin di động toàn

System

cầu

Hình 1.7 Tín hiệu OFDM không có khoảng bảo vệ ...................................................... 11
Hình 1.8 Tín hiệu OFDM với khoảng bảo vệ rỗng ....................................................... 11
Hình 1.9 Tín hiệu OFDM với khoảng bảo vệ có tính cyclic prefix .............................. 12
Hình 1.10 Bộ chuyển đổi D/A và A/D ..........................................................................13
Hình 1.11. Sơ đồ điều chế quang trực tiếp ....................................................................13
Hình 1.12. Sơ đồ điều chế gián tiếp ..............................................................................14
Hình 1.13 Cấu trúc bộ Mach-Zehnder modulator ......................................................... 14
Hình 1.14 Cấu trúc bộ MZM phân cực đơn ..................................................................15
Hình 1.15 Cấu trúc bộ MZM phân cực đôi ...................................................................16
Hình 1.16 Sợi quang đa mode chỉ số chiết suất phân bậc có đường kính sợi lõi khoảng
50m (SI:Step Index) ....................................................................................................17
Hình 1.17 Sợi quang có chiết suất giảm dần (GI: Gradien-Index) ................................ 17
Hình 1.18 Sợi quang đơn mode (SM:Single Mode) .....................................................18
Hình 1.19 Bộ khuếch đại EDFA....................................................................................19
Hình 1.20. Sơ đồ khối bộ thu quang coherent .............................................................. 20
Hình 2.1: Kiến trúc hệ thống RoF .................................................................................25
Hình 2.2: Tạo tín hiệu RF bằng điều chế cường độ trực tiếp ........................................31
Hình 2.3: Sơ đồ khối kỹ thuật tách sóng heterodyne ...................................................32
Hình 3.1: Ghép kênh sóng mang con giữa tín hiệu số và tín hiệu tương tự ..................41
Hình 3.2: Sự kết hợp DWDM trong RoF ......................................................................42
Hình 3.3: DWDM trong RoF......................................................................................... 43
Hình 3.4: Kiến trúc vòng ring RoF dựa trên DWDM. ..................................................43
Hình 3.5: Mô hình OFDM kết hợp với RoF..................................................................46
Hình 3.6. Kiến trúc của mạng LTE. ..............................................................................54
Hình 3.7. Các vệt phủ của cell cho các dịch vụ với các tốc độ hoạt động khác nhau ...57
Hình 3.8. Mô hình triển khai công nghệ OFDM quang trong RoF vào hệ thống truyền
tải mạng di động LTE/LTE-Ad tại trung tâm các thành phố. .......................................58
Hình 3.9: Khối thu phát OFDM quang TRXi ............................................................... 59
Hình 3.10: Cấu trúc trạm cơ sở BSi tại mạng truy nhập vô tuyến của LTE/LTE-Ad và
thiết bị đầu cuối người sử dụng .....................................................................................60

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 đời và được xem là một kĩ thuật nên tảng cho
mạng truy nhập không dây băng thông rộng. 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. Đây cũng chính là lí do để em lựa chọn đề tài Nghiên cứu
công nghệ OFDM quang trong RoF và ứng dụng.
Nội dung đồ án gồm 3 chương:
Chương 1: Công nghệ OFDM quang: Chương này sẽ đi tìm hiểu về kỹ thuật
OFDM, các thành phần trong hệ thống vô tuyến ứng dụng kỹ thuật OFDM. Nêu lên
được ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDM và tìm hiểu mô hình hệ thống


2

OFDM quang với từng khối chức năng trong mô hình đó. Đồng thời tìm hiểu các
phương pháp điều chế và tách sóng OFDM quang
Chương 2: Hệ thống truyền dẫn RoF: Chương này sẽ trình bày về mô hình
hệ thống RoF, các kĩ thuật nhằm phân phối tín hiệu RF qua các liên kết sợi quang, các
ưu điểm, nhược điểm của RoF và cuối cùng là đưa ra các ứng dụng của RoF.
Chương 3: Công nghệ OFDM quang trong RoF và ứng dụng: Chương này
sẽ tìm hiểu về các kĩ thuật ghép kênh trong RoF, mô hình hệ thống OFDM trong RoF
và đưa ra ứng dụng hệ thống OFDM trong RoF dùng cho mạng thông tin di động 4G
LTE/LTE Ad: Tại các trung tâm thành phố, tại các vùng ngoại ô, nông thôn và tại các
tòa nhà cao tầng của Việt Nam.
Mặc dù đã hết sức cố gắng trong quá trình nghiên cứu nhưng luận văn không
thể tránh khỏi được những thiếu sót. Vì vậy, em rất mong nhận được sự thông cảm và
góp ý, nhận xét của các thầy cô và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn.



T 0
1, n  m

(1.1)

Và trong OFDM, tập các sóng mang con được truyền có thể được viết là:
f n  t   exp  j 2 f nt 

(1.2)

Trong đó: j  1, f n  f0  nf  f0  n / T (1.3), và f 0 là tần số offset ban đầu.
Bây giờ ta chứng minh tính trực giao của các song mang con. Xét biểu thức
(1.1) ta có:


4

1 T
1 T
f m  t  f n  t  dt   exp  j 2  f m  f n  t dt

T 0
T 0
sin   f m  f n  T 
 exp  j  f m  f n  T 
  fm  fn  T

(1.4)


kênh theo tần số trực giao. Sau đó sẽ thực hiện giải điều chế ghép kênh theo tần số trực
giao và biến đổi tín hiệu song song thành tín hiệu nối tiếp để có được tín hiệu dữ liệu
ra ban đầu.

Hình 1.2. Kiến trúc hệ thống OFDM quang

Từ hình 1.2 cho thấy dữ liệu đầu vào sẽ được đưa vào bộ RF OFDM phía phát
sau đó sẽ được chuyển tới bộ RF sang quang (RTO) qua đường truyền quang. Trên
đường truyền quang tín hiệu sẽ được khuyếch đại quang, đưa tới bộ chuyển quang
sang RF (OTR) và đưa tới bộ RF OFDM phía thu. Ta sẽ thu được dữ liệu tại đầu ra.


6

1.3 Các khối chức năng
Hệ thống OFDM quang gồm các khối chức năng cơ bản sau đó là:
-

Khối phát RF OFDM

-

Khối chuyển đổi từ RF sang quang (RTO)

-

Đường truyền quang và khuyếch đại quang

-


Hình 1.3 Bộ chuyển đổi S/P và Bộ chuyển đổi P/S

b) Bộ sắp xếp kí tự
Mô hình bộ sắp xếp kí tự được mô tả ở hình sau:

Hình 1.4. Bộ sắp xếp kí tự

Trong đó, từng kí hiệu b bit sẽ được đưa vào bộ sắp xếp kí tự lên sóng mang
con. Mà ở đây chính là bộ ánh xạ (mapper) mục đích là nâng cao dung lượng kênh
truyền. Một kí hiệu b bit sẽ tương ứng một trong M  2b trạng thái hay một vị trí
trong giản đồ chòm sao (constellation).
Ngược lại bên phía thu, bộ demaper chuyển các vị trí trong giản đồ chòm sao
thành dữ liệu b bit tương ứng. Các phép điều chế có thể như sau:
-BPSK sử dụng symbol 1 bit, bit 0 hoặc bit 1 sẽ xác định trạng thái pha 0 hoặc
180 ,tốc độ baud hay tốc độ chuỗi sẽ bằng tốc độ bit Baud = Rb.

- QPSK sử dụng symbol 2 bit (Dbit), Baud = Rb/2.
- 8-PSK hay 8-QAM sử dụng symbol 3 bit (Tribit), Baud = Rb/3
- 16-PSK hay 16-QAM sử dụng symbol 4 bit (Quabit), Baud = Rb/4


8

c) Bộ biến đổi IFFT/FFT

Hình 1.5 Bộ IFFT và bộ FFT

Trong kỹ thuật OFDM thì việc dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều
sóng mang phụ. Để làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một máy phát sóng
sine, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế để tạo nên nhiều sóng mang phụ. Trong


Trong đó: X a  t   k 0 X  k e j 2 k ft là tín hiệu băng gốc
N 1

(1.5)
(1.6)

Nếu lấy mẫu tín hiệu băng gốc với một chu kỳ Ts /N, tức là chọn N mẫu trong
một chu kỳ tín hiệu, phương trình (1.6) được viết lại như sau:
 n  N 1
xa  t   xa  Ts    X  k e j 2 nk fTs / N
 N  k 0

(1.7)


9

Nếu thỏa mãn điều kiện trực giao fTs  1 tức là f 

1
thì các sóng mang sẽ
Ts

trực giao với nhau, lúc này công thức (1.7) được viết lại:
N 1

xa   X  k e j 2 nk / N N .IDFT  X  k 

(1.8)

lại

symbol

 X 0 , X1 ,........., X N 1  . Lý tưởng thì X k  X k

Tại bộ thu, bộ DFT được sử dụng để lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu
Thật vậy, trong trường hợp lý tưởng ( xa  xa ) ta có:
N 1

X   k   DFT  xa  n    xa  n e  j 2 nk / N 
n 0

1
N

N 1 N 1

 X  m e

j 2 n  m  k  / N

n 0 n 0

j 2 n  m  k 
N

N 1
1 N 1
X

d) Bộ chèn và loại bỏ khoảng bảo vệ GI

Hình 1.6. Bộ chèn và loại bỏ khoảng bảo vệ

Hai nguồn nhiễu giao thoa (interference) thường thấy trong các hệ thống truyền
thông, cũng như trong hệ thống OFDM là ISI và ICI.
ISI (Inter – Symbol Interference): Nhiễu giao thoa liên kí tự, được định nghĩa là
xuyên nhiễu giữa các symbol trong khoảng thời gian Symbol t s của các frame FFT
liên tiếp ( trong miền thời gian) [6].
ICI (Inter – Carrier Interference): Nhiễu giao thoa liên sóng mang, được định
nghĩa là xuyên nhiễu giữa các kênh sóng mang phụ (subchanels) của cùng một frame
FFT (trong miền tần số) [6].
Nhiễu ICI được loại bỏ hoàn toàn nhờ sử dụng tập sóng mang trực giao làm tập
tần số của các kênh phụ [1]. Nhiễu ISI sẽ gần như được loại bỏ hoàn toàn nếu ta sử
dụng số lượng sóng mang N đủ lớn, khi đó băng thông của mỗi kênh đủ nhỏ so với
coherence bandwwith, tức là độ rộng của một symbol có ích t s sẽ lớn hơm trải trễ của
kênh truyền.
- Tín hiệu khi không có khoảng bảo vệ G được mô tả ở hình 1.7. Ta có thể nhận
thấy, tín hiệu khi không có khoảng bảo vệ G thì tín hiệu trễ từ symbol i-1 sẽ lấn
sang tín hiệu symbol i, gây ra nhiễu giữa các symbol trong khoảng thời gian
nghĩa với việc gây ra nhiễu ISI

ts đồng


11

Khi ta chèn khoảng bảo vệ rỗng G vào, khi đó, độ rộng của một symbol sẽ là:

T  G  t

12

Như vậy thì sau khi đi qua bộ chèn GI thì tín hiệu sẽ không bị nhiễu. Tín hiệu sau đó
sẽ được chuyển tới bộ chuyển đổi từ số sang tương tự D/A và được lọc qua một bộ lọc
thông thấp LPF để loại bỏ các tín hiệu không mong muốn.

Hình 1.9 Tín hiệu OFDM với khoảng bảo vệ có tính cyclic prefix

e)Bộ biến đổi D/A và A/D
Sơ đồ bộ chuyển đổi D/A và A/D được chỉ ra ở hình 1.10. Trong đó:
Chuỗi kí hiệu sau khi được chèn khoảng bảo vệ G sẽ được đưa vào bộ biến đổi từ số
sang tương tự D/A và bộ lọc thông thấp LPF để tạo ra tín hiệu liên lục s(t) để đưa vào
kênh truyền.
Ở phía thu là quá trình ngược lại, bộ A/D sẽ lấy mẫu tín hiệu OFDM thu được
r(t) cho ra tín hiệu số rời rạc rn * Đối với kênh truyền vô tuyến, sau khi qua bộ biến
đổi D/A và lọc thông thấp, tín hiệu s(t) được nâng lên tần số cao nhờ bộ Up-Converter
tạo thành tín hiệu sRF (t ) thích hợp với một bộ điều chế. Ở phía thu, tín hiệu rRF (t ) thu
được từ anten phát sẽ được chuyển đổi hạ tần lại thành tín hiệu tần số băng gốc r(t)
nhờ bộ Down-Converter


13

Hình 1.10 Bộ chuyển đổi D/A và A/D

1.3.2 Khối chuyển RF sang quang
Sau khi thu được tín hiệu băng gốc thì phần thực và phần ảo của tín hiệu này
được đưa vào hai bộ điều chế quang để chuyển thành tín hiệu quang. Trong kỹ thuật
OFDM quang có 2 giải pháp điều chế, đó là: điều chế quang trực tiếp và điều chế
quang gián tiếp

Cấu trúc chung nhất của bộ MZM được mô tả như hình 1.13 . Bộ điều chế giao
thoa MZM bao gồm một bộ chia tại ngõ vào, hai nhánh dẫn sóng ánh sáng, và một bộ
ghép tại ngõ ra. Hoạt động của bộ MZM dựa vào hiện tượng giao thoa ánh sáng và
hiện tượng thay đổi chiết suất của vật liệu (LiNbO3) theo cường độ dòng phân cực hay
nói cách khác là tuân theo hiệu ứng Pockels (là hiệu ứng mà ở đó chiết suất ánh sáng
của môi trường biến đổi theo điện trường áp dụng lên môi trường đó. Khi chiết suất
ánh sáng thay đổi theo điện thế, pha của sóng truyền qua cũng bị thay đổi theo điện thế
đó). Một cách vắn tắt, độ lệch pha của một sóng truyền qua tỉ lệ thuận với điện thế áp
dụng và được cho bởi công thức: