Hệ thống thông tin quang không dây và vấn đề thiết kế, tính toán, tối ưu tuyến trong điều kiện khí hậu Việt Nam - 2

Tuy nhiên, hầu như chưa có nhiều nghiên cứu tại Việt Nam về công nghệ truyền thông quang không dây này. Đặc biệt là xu hướng chung của thế giới đã và đang chuyển sang nghiên cứu đến các hệ thống FSO. Hy vọng đồ án sẽ là bước đệm cho các sinh viên khóa sau tìm hiểu và nghiên cứu sâu hơn về công nghệ mới này.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG

QUANG KHÔNG DÂY (Free Space Optics - FSO)

Chương 1 sẽ trình bày những định nghĩa khái niệm cơ bản nhất về công nghệ FSO và lịch sử phát triển, nhằm mục đích cung cấp cho người đọc cái nhìn tổng thể và trực quan nhất về công nghệ còn khá mới mẻ này tại Việt Nam.

1.1. Giới thiệu về hệ thống truyền thông quang FSO

1.1.1 Khái niệm về FSO

Về cơ bản, FSO là công nghệ truyền thông tin, dữ liệu giữa 2 điểm sử dụng bức xạ quang như là tín hiệu mang tin và được truyền qua các kênh truyền tự do. Dữ liệu cần truyền được điều chế vào cường độ, pha, hoặc tần số của bức xạ quang mang tin. Một đường truyền dẫn FSO về cơ bản là đường truyền dẫn thẳng (Light Of Sight- LOS), vì vậy để đảm bảo trao đổi thông tin thành công, yêu cầu máy thu và máy phát phải có thể “nhìn” thấy nhau một cách trực tiếp mà không có bất kỳ một chướng ngại vật nào trên đường truyền. Kênh truyền tự do có thể là trong không gian vũ trụ giữa các vệ tinh, dưới nước, trong khí quyển hoặc là sự kết hợp của các loại môi trường trên trong cùng một tuyến thông tin.

Truyền thông FSO qua khoảng cách một vài kilomet có thể đạt tới tốc độ dữ liệu hàng Gbps. Công nghệ FSO cung cấp tiềm năng về dung lượng băng thông truyền thông sử dụng các bước sóng quang không cần cấp phép.

Hình 1.1 Hệ thống truyền thông quang không dây

1.1.2 Lịch sử phát triển

Thông tin quang trong môi trường tự do (FSO) là một công nghệ đã có từ lâu đời sử dụng sự truyền lan ánh sáng trong không gian để truyền tín hiệu giữa hai điểm.

Truyền thông tin quang trong môi trường tự do được đặt nền móng lần đầu tiên là bởi thí nghiệm Photophone thực hiện bởi Alexander Graham Bell vào năm 1880. Trong thí nghiệm của mình, Bell đã điều chế bức xạ của mặt trời với tín hiệu âm thanh và truyền đi qua khoảng cách khoảng 200 m. Máy thu được làm từ một chiếc gương parabol với một tế bào Selen đặt tại tiêu điểm. Tuy nhiên, thí nghiệm cho kết quả không thực sự tốt do thiết bị sử dụng thô sơ và sự gián đoạn tự nhiên của bức xạ mặt trời.

Cột mốc quan trọng đánh dấu sự phát triển của công nghê FSO đó là sự tìm ra các nguồn quang, mà quan trọng nhất là laser vào những năm 1960. Hàng loạt các nghiên cứu về FSO đã được thực hiện từ những năm đầu 60 đến những năm 70, ví dụ như: truyền phổ của tín hiệu truyền hình qua khoảng cách 48 km sử sụng diode phát quang GaA được thực thi bởi cách nhà khoa học của học viện MIT năm 1962; tháng 5 năm 1963, tín hiệu âm thanh được điều chế với laser He-NE đã đươc truyền qua 190km giữa 2 ngọn núi Panamint Ridge và San Gabriel tại Mỹ; truyền dẫn Laser trong không gian được sử dụng với mục đích thương mại lần đầu tiên được xây dựng ở Nhật Bản bởi công ty điện tử Nippon vào năm 1970 - là đường truyễn dẫn song công, sử dụng Laser He-Ne bước sóng 0.6328 μm, truyền thông tin giữa Yokohama và Tamagawa với khoảng cách 14km.

Từ quãng thời gian này trở đi, công nghệ FSO tiếp tục được nghiên cứu và thử nghiệm mạnh mẽ, đặc biệt là trong thông tin quân sự. FSO cũng đã và đang được nghiên cứu để sử dụng cho truyền thông trong vũ trụ bởi NASA và ESA với các chương trình như là the Mars Laser Communication Demonstration (MLCD) và the Semiconductor-laser Inter-satellite Link Experiment (SILEX).

Trong vòng vài thập kỷ vừa qua, công nghệ FSO đã được nghiên cứu và chứng minh một cách thành công là có thể được sử dụng trong truyền thông vũ trụ giữa các vệ tinh với tốc độ dữ liệu có thể lên tới 10 Gbps. Mặc dù những kiến thức về các kỹ thuật cần thiết để xây dựng một hệ thống thông tin FSO đã được nghiên cứu bởi nhiều nhà khoa học khác nhau trong nhiều năm liền.

Tuy nhiên hệ thống thông tin FSO cho đến nay đây vẫn còn chưa được áp dụng

phổ biến bởi nhiều nguyên nhân khác nhau:

- Các hệ thống thông tin liên lạc đang tồn tại đã đủ để giải quyết các nhu cầu thông tin hiện thời.

- Những nghiên cứu và phát triển đáng kể của công nghệ FSO cần phải được cải thiện độ tin cậy của các khối để đảm bảo độ tin cậy của toàn hệ thống.

- Một hệ thống trong không gian luôn chịu ảnh hưởng bởi sự gián đoạn khi có mặt sương mù dày đặc.

- Ngay cả khi sự ảnh hưởng của khí quyển có thể được bỏ qua, thì hệ thống FSO luôn yêu cầu phát hướng điểm chính xác và bộ phận đeo bám nhạy-là những điều vẫn chưa được giải quyết triệt để cho đến tận bây giờ.

Tất cả những lý do đó giải thích tại sao cho đến tận bây giờ, công nghệ FSO vẫn chưa được sử dụng rộng dãi trong các mạng truy nhập.

Hình 1.2 Chương trình MLCD của NASA

1.1.3 Ưu, nhược điểm của FSO

Ưu điểm:

- Băng thông rất lớn: trong bất cứ hệ thống thông tin nào, lượng dữ liệu, thông tin được truyền đi có liên hệ trực tiếp với băng thông của tín hiệu mang tin điều chế. Lượng băng thông cho phép có thể đạt tới 20% của tần số tín hiệu mang. Sử dụng tín hiệu mang là bức xạ quang với khoảng tần số từ 1012-1016 Hz có thể cho băng thông lên tới 2000 Thz. Vì thế mà so với những hệ thống thông tin vô tuyến, thông tin quang đảm bảo lưu lượng thông tin lớn hơn rất nhiều bởi vì tần số của tín hiệu mang tin là bức xạ quang lớn hơn rất nhiều so với tần số sóng mang vô tuyến.

- Bán kính tia nhỏ: Bức xạ quang có bán kính tia cực kỳ hẹp, có nghĩa là công

suất phát chỉ phải tập trung trong một diện tích rất là hẹp. Điều này cho phép một đường truyền FSO có sự cách ly không gian đủ để tránh nhiễu từ cách đường truyền FSO khác. Sự chiếm dụng về không gian rất hẹp cũng cho phép các tia laser hoạt động gần như độc lập với nhau, vì thế nên khả năng sử dụng lại tần số gần như là vô hạn trong nhiều môi trường khác nhau. Tuy nhiên, sự hẹp của bức xạ quang cũng đồng nghĩa với yêu cầu về đồng bộ thu phát rất cao.

- Phổ tần sử dụng không cần cấp phép: Trong thông tin vô tuyến, các sóng mang có tần số gần nhau gây nhiễu lên nhau chính là vấn đề lớn nhất của thông tin vô tuyến. Để giảm thiểu vấn đề này, các tổ chức quản lý tài nguyên tần số được thành lập để quản lý việc cấp phát và sử dụng tần số của các cá nhân, tổ chức. Vì thế để được cấp phát một dải tần để sử dụng cần phải tốn rất nhiều chi phí và thời gian. Hiện tại thì các tần số quang không phải chịu sự quản lý này do các tín hiệu mạng là bức xạ quang hầu như không gây nhiễu lên nhau ngay cả khi hai đường truyền quang có cùng tần số đặt cạnh nhau.

- Rẻ: Giá thành để triển khai một hệ thống thông tin FSO rẻ hơn rất nhiều so với một hệ thống thông tin vô tuyến thông thường khi có tốc độ dữ liệu tương đương nhau. Điều này là do FSO không yêu cầu phí cấp phát dải tần sử dụng và các thành phần trong đường truyền FSO cũng rẻ hơn nhiều. Theo một nghiên cứu gần đây của Canada, giá của 1 Mbps trên một tháng của một hệ thống FSO rẻ bằng một nửa của hệ thống vô tuyến thông thường.

- Nhanh chóng và dễ dàng triển khai cũng như tái sử dụng: thời gian cần thiết để triển khai một đường truyền FSO có thể chỉ vài giờ. Yêu cầu chính là việc thành lập một đường truyền không bị cản trở về tầm nhìn giữa máy thu và máy phát. Đường truyền FSO cũng có thể dễ dàng mang đi sử dụng ở khu vực các một cách nhanh chóng và dễ dàng

- An toàn thông tin cao: Mặc dù FSO là công nghệ không dây nhưng nó không phát quảng bá tới bất kỳ người nào và tất cả mọi người. FSO phát búp sóng ánh sáng hẹp, tần số rất cao tới một nơi xác định. Do đó rất khó cho một cá nhân nào đó có thể thu trộm thông tin mà không bị phát hiện. Các hệ thống FSO thường được lắp đặt càng cao càng tốt để các phương tiện giao thông qua lại không làm ảnh hưởng tới búp sóng quang. Một con chim có thể làm gián đoạn việc truyền thông tin, nhưng điều đó chỉ xảy ra trong chốc lát và hệ thống sẽ nhanh chóng phục hồi. Trong khi đó, việc thu trộm

thông tin đòi hỏi phải đặt thiết bị trên đường đi của búp sóng trong khoảng thời gian dài.

Phải thừa nhận rằng việc đặt thiết bị thu trộm thông tin giữa hai khối FSO là rất khó khăn do kích thước búp quang rất hẹp, khó xác định được vị trí búp, búp lại thường được đặt ở rất cao và không gần bất cứ thứ gì. Việc phát hiện thiết bị thu trộm là hoàn toàn có khả năng thực hiện được do búp quang trong tầm nhìn thẳng, có thể sử dụng các máy quay phim để giám sát việc lắp đặt thiết bị thu trộm và đường truyền của búp sóng quang để phát hiện bất cứ hoạt động khả nghi nào.

Nhược điểm:

Giới hạn cơ bản của FSO do môi trường truyền dẫn gây ra. Với FSO truyền trong môi trường khí quyển thì sự hoạt động của hệ thống FSO phụ thuộc rất nhiều vào thời tiết và điều kiện khí quyển. Sự không cố định về tính chất của kênh truyền FSO là trở ngại lớn nhất trong việc triển khai một hệ thống FSO. Tuy nhiên điều này không xảy ra chỉ với FSO, các đường truyền vô tuyến hay thông tin vệ tinh cũng bị ảnh hưởng bởi thời tiết và có thể bị mất liên kết trong điều kiện mưa lớn hay tuyết. Ngoài việc tuyết và mưa có thể làm cản trở đường truyền quang, FSO chịu ảnh hưởng mạnh bởi sương mù và sự hỗn loạn của không khí. Những thách thức chính trong việc thiết kế hệ thống FSO:

Hình 1.3 Những thách thức đối với FSO

- 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.