Tóm tắt Luận án Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu năng hệ thống OFDM quang

1

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

NGÔ THỊ THU TRANG

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG

HỆ THỐNG OFDM QUANG

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

MÃ SỐ: 9.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2021

Công trình hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học:

1. PGS.TS. Bùi Trung Hiếu

2. TS. Nguyễn Đức Nhân

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Phản biện 3:

Luận án sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận án cấp Học viện tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

vào hồi:

giờ

,ngày

tháng

năm

Có thể tìm hiểu luận án tại:

1. Thư viện Quốc gia Việt Nam

2. Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

1

MỞ ĐẦU

1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN

Kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) quang

được đề xuất như là hướng nghiên cứu cơ bản cho mạng truyền dẫn

quang tốc độ cao không dây và qua sợi trong nhiều năm gần đây. Những

ưu điểm vượt trội của kĩ thuật OFDM có thể kể đến là nâng cao hiệu quả

sử dụng băng tần, khả năng chống nhiễu giao thoa giữa các kí tự (ISI) do

giãn xung và tạo tín hiệu OFDM quang trong miền số nhờ kĩ thuật DSP

tốc độ cao, giúp giải quyết được các thách thức về tính trực giao và nhạy

cảm với nhiễu pha khi thực hiện trong miền quang.

Kĩ thuật OFDM không chỉ được đề xuất triển khai trong các hệ thống

truyền dẫn quang dung lượng lớn tách sóng coherent và tách sóng trực

tiếp mà còn ứng dụng rộng rãi trong các mạng truy nhập quang. Các kết

quả nghiên cứu thực nghiệm cho hệ thống truyền dẫn quang ứng dụng

OFDM có dung lượng nhiều Tb/s, hiệu suất phổ lên tới 11 bit/s/Hz được

công bố và kỳ vọng tốc độ truyền dẫn trên từng bước sóng đạt 100 Gbit/s

vào năm 2025. Việc triển khai thương mại hoá các hệ thống OFDM

quang đáp ứng yêu cầu về hiệu suất phổ cao và cấu trúc mạng linh hoạt

của các mạng quang trong tương lai là hoàn toàn khả thi.

Thách thức lớn nhất của kĩ thuật OFDM trong truyền dẫn quang là tỉ

số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) cao, dẫn đến ảnh

hưởng phi tuyến trở thành giới hạn chính đối với các hệ thống OFDM

quang. Công suất đỉnh tín hiệu OFDM lớn sẽ gây ra ảnh hưởng phi tuyến

tại bộ phát, bộ thu và trên sợi quang. Ngoài ra, nhiễu pha sinh ra do sự

thăng giáng pha ngẫu nhiên của nguồn quang laser cũng gây ảnh hưởng

nghiêm trọng đến hiệu năng hệ thống OFDM quang. Vì thế, việc nghiên

cứu đề xuất các giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố tác động

lên hệ thống nhằm nâng cao hiệu năng cho các hệ thống OFDM quang là

hết sức cần thiết. Xuất phát từ các phân tích trên, nghiên cứu sinh đã

quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu năng cho

hệ thống OFDM quang” cho luận án Tiến sĩ của mình.

2

2. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu của Luận án này là các hệ thống truyền dẫn

quang có ứng dụng ghép kênh theo tần số trực giao.

Luận án tập trung nghiên cứu trong phạm vi áp dụng ghép kênh theo

tần số trực giao cho các hệ thống truyền dẫn quang điều chế cường độ -

tách sóng trực tiếp, hướng đến các giải pháp nhằm ứng dụng PON thế hệ

kế tiếp.

3. MỤC TIÊU, NHIỆM VỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Mục tiêu chính của luận án này là nghiên cứu để đề xuất được giải

pháp cải thiện hiệu năng cho các hệ thống OFDM quang. Các hướng

nghiên cứu được lựa chọn để đạt được mục tiêu này là tìm kiếm các giải

pháp để giảm thiểu PAPR và các giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng của

méo và của các hiệu ứng phi tuyến, từ đó cải thiện hiệu năng của các hệ

thống OFDM quang.

Để đạt được mục tiêu nêu trên, các nhiệm vụ cụ thể cho quá trình

nghiên cứu được xây dựng. Thứ nhất, nghiên cứu để nắm chắc, hiểu sâu

sắc về hệ thống OFDM quang và những kết quả nghiên cứu tiêu biểu liên

quan đến vấn đề này. Thứ hai, đề ra các hướng để từ đó xây dựng giải

pháp cải thiện hiệu năng cho các hệ thống OFDM quang. Thứ ba, thực

hiện khảo sát, kiểm chứng hiệu quả cải thiện hiệu năng của các giải pháp

xây dựng, từ đó chọn ra các giải pháp có tính khả thi và phù hợp.

Nhằm thực hiện các nhiệm vụ nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu lý

thuyết kết hợp với mô phỏng được lựa chọn và tiến hành qua các bước

gồm nghiên cứu, phân tích và tổng hợp các nội dung lý thuyết về OFDM

quang để đánh giá hiệu năng hệ thống và mức độ cải thiện hiệu năng hệ

thống của các giải pháp đề xuất (1), mô phỏng Monte-Carlo được sử

dụng để kiểm chứng theo các sơ đồ hệ thống tương ứng với các giải pháp

đã đề xuất (2), nhận xét, đánh giá dựa trên các kết quả (3).

4. CÁC ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN

Hai giải pháp cải hiệu hiệu năng hệ thống OFDM quang được đề xuất,

cũng chính là hai đóng góp quan trọng của Luận án.

3

Thứ nhất là đề xuất giải pháp thiểu ảnh hưởng phi tuyến trong miền số

sử dụng bộ nén giãn, gồm theo luật A và dựa trên mô hình Rapp. Các

giải pháp này cho phép giảm PAPR của tín hiệu OFDM, giúp làm giảm

ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến tại bộ phát và của sợi quang lên hiệu

năng hệ thống.

Thứ hai là đề xuất giải pháp cải thiện hiệu năng hệ thống OFDM

quang trên trên kĩ thuật truyền ngược trong miền quang, cho phép giảm

thiểu ảnh hưởng của cả hiệu ứng tán sắc và phi tuyến trên sợi, giúp cải

thiện rõ rệt hiệu năng hệ thống IM-DD O-OFDM.

5. BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN

Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, Luận án được chia thành 4

chương với nội dung cụ thể như sau. Chương 1 trình bày các vấn đề về

kĩ thuật OFDM và triển khai trong truyền dẫn quang cũng như các kết

quả nghiên cứu tiêu biểu liên quan, từ đó đề xuất hướng nghiên cứu thực

hiện Luận án. Mô hình giải tích đánh giá hiệu năng hệ thống OFDM

quang dưới ảnh hưởng của tổng thể các yếu tố tác động đến từ các thành

phần của hệ thống được xây dựng trong chương 2. Nội dung hai đóng

góp được trình bày lần lượt trong chương 3 và chương 4 của Luận án.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 KĨ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO

- OFDM

Tín hiệu OFDM hoàn toàn có thể tạo và khôi phục một cách đơn giản

nhờ các bộ IFFT và FFT trong miền số giúp cho bộ thu/ phát tín hiệu

OFDM quang trở nên đơn giản hơn nhiều, đồng thời giải quyết được các

thách thức về tính trực giao và sự nhạy cảm về nhiễu pha.

1.2 OFDM TRONG TRUYỀN DẪN QUANG

Kĩ thuật OFDM được ứng dụng trong nhiều hệ thống OFDM quang

khác nhau. Trong phạm vi luận án này, dựa trên cơ chế tổ hợp tín hiệu

OFDM, hệ thống OFDM quang được phân loại như trong hình 1.1.

4

Hệ thống OFDM

quang

DO-OFDM

AO-OFDM

IM-DD

O-OFDM

FM/C

O-OFDM

FM/C

O-OFDM

Điều chế

trực tiếp

Điều chế

gián tiếp

Điều chế

I/Q

DCO

ACO

Flip

DCO

ACO

Flip

Hình 1.1: Phân loại hệ thống OFDM quang

1.3 HỆ THỐNG IM-DD O-OFDM

Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống IM-DD O-OFDM

Giải pháp điều biến cường độ tại phía phát và tách sóng trực tiếp tại

phía thu được sử dụng rất phổ biến trong các hệ thống thông tin quang

trước đây, vì thế hệ thống IM-DD O-OFDM dễ dàng nâng cấp từ các hệ

thống truyền dẫn quang sẵn có. Sơ đồ khối hệ thống IM-DD O-OFDM

được đưa ra trong hình 1.2

1.4 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG

OFDM QUANG

− Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) cao

− Nhiễu pha

− Suy hao

− Tán sắc

− Ảnh hưởng phi tuyến

5

1.5 CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

1.5.1 Các công trình nghiên cứu tại Việt Nam

Tại Việt Nam các kết quả nghiên cứu liên quan đến hệ thống OFDM

quang mới dừng ở việc nghiên cứu cơ bản về tạo tín hiệu OFDM quang

hay thực hiện khảo sát hệ thống trong điều kiện kênh đơn giản.

1.5.2 Các công trình nghiên cứu trên thế giới

1.5.2.1 Các nghiên cứu về giảm ảnh hưởng phi tuyến trong miền quang

Các giải pháp giảm ảnh hưởng phi tuyến trong miền quang cho phép

triển khai các hệ thống trong suốt trong miền quang và giảm thiểu ảnh

hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trên sợi quang cho tất cả các kênh

bước sóng một cách đồng thời. Hai nhóm giải pháp điển hình là đảo phổ

giữa tuyến (MSSI) và truyền ngược trong miền quang (OBP).

1.5.2.2 Các nghiên cứu về giảm ảnh hưởng phi tuyến trong miền điện

Các giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng phi tuyến trong miền điện chủ yếu

thực hiện dựa trên các thuật toán xử lý tín hiệu, hướng đến làm giảm

đồng thời ảnh hưởng phi tuyến của các phần tử tại bộ thu, phát và ảnh

hưởng phi tuyến trên sợi gây ra. Các nhóm giải pháp điển hình gồm có

giảm PAPR, truyền ngược trong miền điện, sử dụng xung RF-pilot, phối

hợp pha số, giải pháp loại bỏ nhiễu phách tín hiệu - tín hiệu.

1.5.2.3 Các giải pháp giảm ảnh hưởng phi tuyến trong cả hai miền

quang, điện

Giải pháp giảm ảnh hưởng phi tuyến trong cả hai miền quang điện kết

hợp kĩ thuật tách sóng trực tiếp và điều chế pha quang.

1.5.3 Nhận xét các công trình nghiên cứu

Các giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trên

đây còn một số những điểm tồn tại khi ứng dụng cho các hệ thống

OFDM quang, cụ thể như sau

− Hạn chế của các giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng phi tuyến khi ứng

dụng cho hệ thống IM-DD O-OFDM: Chưa có nhiều các giải pháp

trong miền số với các đánh giá đầy đủ khi ứng dụng cho hệ thống

6

IM-DD O-OFDM. Các giải pháp đã công bố trong miền quang

không phù hợp cho ứng dụng trong mạng truy nhập quang thụ động.

− Hạn chế của các giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng phi tuyến trong hệ

thống O-OFDM WDM: vấn đề về độ phức tạp của các giải pháp bù

phi tuyến trong miền số khi ứng dụng cho hệ thống O-OFDM

WDM.

− Hạn chế của các giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng phi tuyến trong các

hệ thống yêu cầu về thời gian thực: Các giải pháp trong miền số sử

dụng các vi mạch DSP đặt tại các bộ thu, phát luôn phải đối mặt với

sự trả giá giữa hiệu suất bù phi tuyến và độ phức tạp tính toán của

từng giải pháp.

1.6 ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN

Qua các khảo sát, nghiên cứu và phân tích cho thấy hệ thống OFDM

quang chịu nhiều ảnh hưởng, đặc biệt là ảnh hưởng phi tuyến. Vì thế,

trong quá trình thực hiện luận án, nghiên cứu sinh sẽ tập trung phân tích,

hướng đến đề xuất mô hình cho phép đánh giá hiệu năng chính xác hơn

và đề xuất các giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng phi tuyến phù hợp để cải

thiện hiệu năng cho các hệ thống IM-DD O-OFDM.

1.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Chương 1 trình bày tổng hợp các vấn đề lý thuyết liên quan đến luận

án. Những vấn đề cơ bản về OFDM, OFDM quang, các yếu tố ảnh

hưởng đến hiệu năng hệ thống OFDM quang (PAPR cao, ảnh hưởng phi

tuyến tại các bộ phát/thu và ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trên

sợi,...) đã được phân tích. Từ tổng hợp, phân tích các công trình nghiên

cứu trong và ngoài nước về các hệ thống OFDM quang, nghiên cứu sinh

đã xác định hướng nghiên cứu thực hiện luận án của mình.

CHƯƠNG 2: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG OFDM QUANG

2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Sự kết hợp giữa kĩ thuật IM-DD O-OFDM và công nghệ WDM, vượt

qua được ảnh hưởng của tán sắc, cho phép triển khai các hệ thống dung

7

lượng rất lớn. Đây là giải pháp rất hứa hẹn cho mạng truy nhập quang

thụ động thế hệ kế tiếp khoảng cách dài (LR-PON), thu hút rất nhiều sự

quan tâm nghiên cứu. Trong chương này, mô hình giải tích đánh giá hiệu

năng hệ thống IM-DD O-OFDM WDM dưới ảnh hưởng của đầy đủ các

nguồn nhiễu đến từ tất cả các thành phần của hệ thống được xây dựng.

Từ đó, làm cơ sở cho việc đề xuất các giải pháp cải thiện hiệu năng hệ

thống, cho phép đánh giá mức độ khả thi khi triển khai hệ thống và thu

được các thông tin hữu ích trong thiết kế hệ thống.

2.2 HỆ THỐNG O-OFDM WDM ĐIỀU BIẾN CƯỜNG ĐỘ TÁCH SÓNG

TRỰC TIẾP

Hệ thống IM-DD O-OFDM WDM gồm ba phần chính gồm có bộ phát,

sợi quang và bộ thu như biểu diễn trong hình 2.1.

Hình 2.1: Mô hình hệ thống O-OFDM WDM điều biến cường độ

tách sóng trực tiếp

2.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG LÊN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG IM-DD

O-OFDM WDM

2.3.1 Các ảnh hưởng tuyến tính

2.3.1.1 Nhiễu xén

Nhiễu xén phát sinh tại bộ tạo tín hiệu OFDM điều chế cường độ.

Công suất nhiễu xén gây ra trên từng kênh bước sóng tại phía phát sẽ là

!

!"#$

ꢀ_!é!= ꢀ^!

ℎ_!ꢀ_!^!_"#$

− ℎ_!ꢀ_!"#$

+

^!− 1 (2.2)

!!

!! !!!

!

Khi đó, công suất nhiễu xén sau photodiode tại phía thu có dạng sau

8

!

ꢀ_!é!= ꢀꢁꢀ_!é!ꢀ^{!! !}

(2.3)

!

2.3.1.2 Nhiễu ASE

Công suất nhiễu phách gây ra bởi sự có mặt của EDFA trên hệ thống

sau photodiode tại phía thu được tính như sau

! !!

!

ꢀ_!"#= 4ꢀ^!ꢀ_!"#$+ ꢀ_!"ꢀꢀ^{!! !}ꢀ_!"#ꢀ_!+ ꢀ_!"#

ꢀ_!ꢀ^{!!! !}

(2.5)

!

2.3.1.3 Nhiễu tại bộ tách sóng quang

Công suất nhiễu gây ra bởi bộ thu PIN sau bộ tách sóng quang sẽ là

ꢀ_!"= 2ꢀꢀ_!ꢀ ꢀ + ꢀ (2.7)

+ ꢀ_!+ ꢀ_!^!ꢀ_!

!"

!"#

2.3.2 Các ảnh hưởng phi tuyến

Nguồn nhiễu phi tuyến gây ra bởi các hiệu ứng XPM, SPM và FWM

luôn tồn tại và ảnh hưởng đáng kể tới hiệu năng hệ thống. Giả thiết rằng,

các hiệu ứng này được xem là độc lập với nhau thì công suất nhiễu phi

tuyến tổng gây ra bởi các hiệu ứng XPM, SPM và FWM ở sau bộ tách

sóng quang sẽ là

ꢀ_!"= ꢀ_!"#+ ꢀ_!"#+ꢀ_!"#

(2.9)

2.3.2.1 Nhiễu phi tuyến gây bởi XPM

Công suất nhiễu XPM trên từng kênh bước sóng, sau bộ tách sóng

quang sẽ là

!

ꢀ_!"#

=

ꢀ^!ꢀ^{!!! !}ꢀ_!"#$ꢀ^!ꢀ^!

^{!"# (! !"/!)}ꢀꢁ

(2.10)

!

!!

!

!! !

!

!,!

! !!

! !

!

trong đó d_!,!

≈

là tham số walk-off với chỉ số i đại diện

! ! ! !!

!

cho k, l, m và f_!là tần số sóng mang quang của kênh bước sóng j.

2.3.2.2 Nhiễu phi tuyến gây bởi SPM

Công suất nhiễu SPM trên một kênh bước sóng, sau bộ tách sóng

quang được xác định như dưới đây

!

_!ꢀ^!ꢀ^{!!! !}ꢀ_!"#$ꢀ^!ꢀ^!

ꢀꢁꢂ^!(ꢀ_!ꢀꢁ/2)ꢀꢁ (2.11)

!!

!

ꢀ_!"#

=

!!! !

!

9

2.3.2.3 Nhiễu phi tuyến gây bởi FWM

Công suất nhiễu FWM trên từng kênh bước sóng ở sau bộ tách sóng

quang sẽ được biểu diễn một cách đơn giản hơn như sau

!

!"

ꢀ_!"#= 2ꢀ^!ꢀ^{!!! !}ꢀ_!""ꢀ_!^!_"ꢀ_!"#$ꢀ^!

ꢀ_!,!ꢀ_!ꢀ

(2.13)

!

!!!!!!!

2.4 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG OFDM QUANG

2.4.1 Biểu thức hiệu năng

Các nguồn nhiễu có thể coi là các biến ngẫu nhiên phân bố Gauss độc

lập, vì thế nhiễu tổng trên từng kênh bước sóng của hệ thống được tính

tại phía thu, sau bộ tách sóng quang, sẽ là

ꢀ_!"!#$= ꢀ_!é!+ ꢀ_!"#+ ꢀ_!"+ ꢀ_!"

(2.14)

Tỉ số SNR trên từng kênh bước sóng, sau bộ tách sóng quang là

!

!!

!

!"

!!

!"#$

!!

!"#

ꢀꢁꢂ =

=

!

(2.16)

!

!!

!! !!

!"# !" !"

!"!#$

!é!

Với hệ thống IM-DD O-OFDM WDM sử dụng điều chế M-QAM,

BER sẽ phụ thuộc vào SNR của tín hiệu OFDM trên mỗi kênh bước

sóng theo dạng

!

ꢀꢁꢂ = _{!"# !}1 −

ꢀ

_!!!ꢀꢁꢂ

(2.17)

!

^!exp − ^!dv là hàm bù lỗi.

!

M là bậc điều chế QAM và, Q u =

!

!"

!

2.4.2 Kết quả đánh giá hiệu năng hệ thống OFDM quang

Hình 2.3 cho thấy tồn tại giá trị công suất đầu vào tối ưu của mỗi kênh

bước sóng mà tại đó BER của hệ thống là nhỏ nhất. Tại vùng công suất

đầu vào lớn, hiệu năng của hệ thống giảm mạnh do ảnh hưởng phi tuyến.

BER và công suất tối ưu của từng kênh bước sóng đều được cải thiện khi

khoảng cách kênh lớn và tại vị trí các kênh biên.

10

Hình 2.3. BER phụ thuộc vào công suất quang của một kênh bước sóng (sợi

SMF (D_!= 17ps/(nm. km)) có chiều dài L = 75km, chỉ số điều chế m = 0.2,

độ lợi EDFA G = 10dB và sử dụng 4-QAM.

Hình 2.4: BER phụ thuộc vào chiều dài sợi quang SMF (công suất quang 0 dBm,

chỉ số điều chế m = 0,2, độ lợi EDFA G = 10 dB và sử dụng 4-QAM

BER biến đổi theo chiều dài sợi quang dưới dạng hàm dao động tắt

dần do sự phụ thuộc của hiệu suất FWM vào điều kiện phối hợp pha như

biểu diễn trong hình 2.4. Trong khoảng chiều dài hiệu dụng, ảnh hưởng

phi tuyến trên sợi rất lớn nên BER dao động với biên độ lớn. Khi khoảng

cách vượt quá chiều dài hiệu dụng, công suất trên sợi giảm đi nên ảnh

hưởng phi tuyến giảm, biên độ dao động của BER giảm theo. Khi công

11

suất tín hiệu bị suy giảm nhiều tại khoảng cách dài, sự khác biệt về hiệu

năng giữa các kênh trung tâm và các kênh biên cũng được thu hẹp. Khi

đó, nhiễu EDFA và nhiễu bộ thu chiếm ưu thế, hiệu năng hệ thống suy

giảm mạnh.

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

Chương 2 tập trung phân tích, đánh giá hiệu năng hệ thống IM-DD O-

OFDM WDM dưới ảnh hưởng tổng thể của các yếu tố tác động khác

nhau đến từ bộ phát, sợi quang và bộ thu. Trên cơ sở đó đã xây dựng mô

hình giải tích đánh giá sự phụ thuộc của hiệu năng hệ thống vào các yếu

tố ảnh hưởng này thông qua tính toán công suất nhiễu tổng của hệ thống.

Các nguồn nhiễu khác nhau bao gồm nhiễu xén tại bộ tạo tín hiệu

OFDM, nhiễu ASE của EDFA, nhiễu phi tuyến trên sợi quang và nhiễu

bộ thu đóng góp vào nhiễu tổng của hệ thống. Kết quả phân tích cho thấy

ảnh hưởng phi tuyến là yếu tố chính làm giới hạn hiệu năng hệ thống.

Đây chính là cơ sở cho việc đề xuất các giải pháp cải thiện hiệu năng cho

hệ thống IM-DD O-OFDM trong các chương tiếp theo.

CHƯƠNG 3: CẢI THIỆN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG OFDM QUANG

SỬ DỤNG BỘ NÉN GIÃN

3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Cho đến nay, nhiều giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng phi tuyến trong

miền số đã được đề xuất. Các giải pháp này cho phép giảm ảnh hưởng

phi tuyến tại cả sợi quang và các phần tử tại bộ phát/ thu. Trong đó,

nhiều phương pháp được kế thừa từ hệ thống truyền thông tín hiệu điện,

cải thiện hiệu năng của hệ thống IM-DD O-OFDM bằng cách giảm

PAPR của tín hiệu OFDM. Tuy nhiên, các giải pháp này làm tăng thêm

độ phức tạp tại cả bộ phát/ thu của hệ thống OFDM quang. Một giải

pháp khác là thực hiện nén/ giãn để giảm PAPR của tín hiệu OFDM, từ

đó giảm ảnh hưởng phi tuyến của hệ thống. Tuy nhiên, giải pháp này

đồng thời cũng gây méo tín hiệu. Hiệu quả cải thiện hiệu năng của hệ

thống phụ thuộc rất nhiều vào tham số của bộ nén giãn, do vậy cần phải

12

khảo sát cụ thể để đạt được tối ưu cân bằng giữa giảm PAPR và méo

phát sinh.

Trong chương này, giải pháp sử dụng bộ nén giãn dựa trên luật A và

mô hình Rapp để cải thiện hiệu năng hệ thống IM-DD O-OFDM truyền

qua sợi quang khoảng cách dài được đề xuất. Tín hiệu OFDM khi đưa

qua bộ nén sẽ làm giảm PAPR, làm cho dải động của tín hiệu nằm gọn

trong vùng đặc tuyến tuyến tính của phần tử điều chế và ADC tại bộ phát,

đồng thời giảm các giá trị công suất quang lớn đưa vào sợi. Điều này cho

phép giảm thiểu ảnh hưởng phi tuyến, từ đó đạt được cải thiện hiệu năng

của hệ thống. Mức độ cải thiện hiệu năng hệ thống IM-DD O-OFDM áp

dụng nén/ giãn theo luật A và dựa theo mô hình Rapp đề xuất được đánh

giá thông qua các tính toán lý thuyết và kiểm chứng bằng mô phỏng

Monte-Carlo.

3.2 NÉN GIÃN TÍN HIỆU

3.2.1 Luật nén A

Quá trình nén và giãn tuân theo luật A, với A là tham số nén, ꢀ là biên

độ tức thời chuẩn hoá của tín hiệu đầu vào được định nghĩa lần lượt như

sau:

! !

!

ꢀꢁꢂ ꢀ

ꢀ < _!

!!!"#

!!!" ! !

ꢀ =

(3.5)

(3.6)

!

_!≤ ꢀ ≤ 1

!!!"#

!

ꢀꢁꢂ ꢀ

ꢀ

ꢀ < _!!!"#

!

!!!"# ! !!

!

_!!!"#≤ ꢀ ≤ 1

!

Áp dụng luật A, các biên độ tín hiệu lớn được nén theo hàm logarithm,

các biên độ tín hiệu nhỏ được được khuếch đại tuyến tính bởi hằng số

A (1 + lnA) nên biên độ tín hiệu sau nén có PAPR giảm. Hình 3.3 biểu

diễn phân bố của biên độ tín hiệu OFDM không nén và sau nén với tham

số nén lần lượt là 2 và 5. Hệ số A càng lớn, vùng nén phi tuyến được mở

rộng về phía giá trị biên độ nhỏ, khiến cho phân bố của biên độ tín hiệu

OFDM tiến dần đến phân bố đều. Khi đó, PAPR giảm nhưng mức độ

13

méo tín hiệu OFDM tăng lên, dẫn đến giảm hiệu quả của giải pháp bù

phi tuyến. Do vậy, việc lựa chọn tham số nén A cần thoả mãn được hai

yêu cầu là giảm PAPR và tối thiểu lượng méo phát sinh để đảm bảo cho

phép cải thiện hiệu năng hệ thống.

Hình 3.3. Biểu đồ của các tín hiệu OFDM không nén và sau nén với 256-IFFT

và 64-QAM (trục hoành: biên độ tín hiệu chuẩn hoá; trục tung: số lượng biên độ

tín hiệu có giá trị tương ứng).

3.2.2 Nén giãn dựa trên mô hình Rapp

Nén đề xuất dựa trên mô hình Rapp được định nghĩa là

ℇ!

!

ꢀ =

(3.7)

ꢀ =

(3.8)

!/!!

!!

!

!!

ℇ !!

!

!"#

với ꢀ là biên độ tức thời chuẩn hoá của tín hiệu đầu vào −1 ≤ ꢀ ≤ 1 ,

ℇ là hệ số tỉ lệ để duy trì công suất của tín hiệu trước và sau nén là không

đổi, ꢀ_!"#là tham số mức bão hoà quyết định đầu ra giới hạn của đường

cong nén, ꢀ là tham số độ mịn xác định độ cong của đặc tuyến nén hay

độ mịn chuyển tiếp từ vùng tuyến tính sang vùng bão hoà.

Với nén theo mô hình Rapp, công suất của tín hiệu sau nén và tín hiệu

!

trước nén được giữ không đổi ꢀ ꢀ_!^{! !}= ꢀ ꢀ_!

, nhưng biên độ lớn

14

nhất của tín hiệu sau nén lại nhỏ đi để giảm PAPR như mô tả trong hình

3.6, giúp cho PAPR giảm.

Hình 3.6. Dạng sóng của tín hiệu OFDM trước nén và sau nén.

3.2.3 Cấu trúc hệ thống IM-DD O-OFDM sử dụng bộ nén giãn

Sơ đồ khối hệ thống IM-DD O-OFDM có sử dụng bộ nén giãn được

đưa ra trong hình 3.8.

Hình 3.8. Sơ đồ khối hệ thống IM-DD O-OFDM sử dụng bộ nén giãn.

15

3.3 HIỆU NĂNG HỆ THỐNG OFDM QUANG SỬ DỤNG BỘ NÉN GIÃN

TUÂN THEO LUẬT A

Hiệu năng hệ thống IM-DD O-OFDM với chiều dài truyền dẫn 80 km

phụ thuộc vào tham số nén được biểu diễn ở hình 3.9. Tham số nén tối

ưu của luật A nằm trong khoảng từ 1 ÷ 2, tại đó BER của hệ thống là

nhỏ nhất.

Hình 3.9. BER phụ thuộc vào tham số nén theo luật A và luật µ

(chiều dài sợi L = 80km, công suất quang phát P0 = 13dBm).

Hình 3.14. BER phụ thuộc vào công suất quang đầu vào khi sử dụng luật A

(chiều dài sợi L = 80 km, chỉ số điều chế m = 0,57 và tham số nén A = 2).

16

Hiệu năng BER của hệ thống có sử dụng bộ nén giãn theo luật A với

A =2 luôn được cải thiện cỡ một bậc về độ lớn so với trường hợp không

sử dụng bộ nén giãn, như cho thấy trong hình 2.14.

3.3 HIỆU NĂNG HỆ THỐNG OFDM QUANG SỬ DỤNG BỘ NÉN GIÃN

DỰA TRÊN MÔ HÌNH RAPP

Hình 3.15. BER phụ thuộc vào tham số độ mịn α (chiều dài sợi L = 80 km,

công suất quang đầu vào P0 = 14dBm).

Với giải pháp nén đề xuất ttheo mô hình Rapp, hiệu năng tốt nhất của

hệ thống IM-DD O-OFDM đạt được phụ thuộc cả hai tham số, độ mịn ꢀ

và mức bão hoà ꢀ_!"#như biểu diễn trong hình 3.15 và 3.16. Tại các mức

bão hoà ꢀ_!"#khác nhau, BER của hệ thống nhỏ nhất với ꢀ trong khoảng

1 ÷ 2,5. Tại các giá trị ꢀ khác nhau, BER của hệ thống nhỏ nhất với ꢀ_!"#

trong khoảng 0,9 ÷ 1,4. Kết hợp các kết quả, BER tốt nhất đạt được khi

ꢀ = 1 và ꢀ_!"#trong khoảng từ 1 đến 1,2.

Hiệu năng BER của hệ thống khi sử dụng bộ nén giãn theo mô hình

Rapp tại vùng tham số tối ưu cải thiện hơn một bậc về biên độ so với

trường hợp sử dụng luật A. Với giải pháp đề xuất này, dải công suất

quang đầu vào tối ưu cải thiện tới 12 dB so với khi không sử dụng nén

và 10 dB so với nén theo luật A như ở hình 3.17. Đây là ưu điểm lớn khi

17

ứng dụng hệ thống IM-DD O-OFDM cho các mạng truy nhập quang thụ

động thế hệ mới với khoảng cách truyền dẫn lớn.

Hình 3.16. BER phụ thuộc vào tham số mức bão hoà (chiều dài sợi L = 80 km,

công suất quang đầu vào P₀= 14dBm).

Hình 3.17. BER phụ thuộc vào công suất quang đầu vào khi sử dụng

mô hình Rapp (chiều dài sợi L = 80 km).

18

3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3

Giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng phi tuyến trong miền số cho hệ thống

IM-DD O-OFDM sử dụng bộ nén giãn theo luật A và mô hình Rapp

được đề xuất trong chương này. Dựa trên nghiên cứu lý thuyết và kiểm

chứng bằng mô phỏng, hiệu quả cải thiện hiệu năng của mỗi luật nén

được định lượng một cách cụ thể thông qua đánh giá sự phụ thuộc của

BER vào các tham số hệ thống như tham số bộ nén, công suất phát

quang, chỉ số điều chế và công suất quang thu, từ đó cung cấp thông tin

hữu ích cho việc thiết kế hệ thống. Giải pháp cải thiện hiệu năng hệ

thống trong miền số yêu cầu thêm mạch xử lý số để thực hiện nén và

giãn tín hiệu, làm tăng tải xử lý cũng như chi phí cho hệ thống. Tuy

nhiên, nén theo luật A và mô hình Rapp đã chín muồi về kỹ thuật mạch

điện tử nên dễ dàng cải tiến, tích hợp vào các bộ tạo và tách tín hiệu

OFDM trong hệ thống truyền dẫn quang. Giải pháp đề xuất có tính khả

thi cao và chi phí hợp lý, phù hợp cho các mạng truy nhập quang, đặc

biệt với LR-PON.

CHƯƠNG 4: CẢI THIỆN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG OFDM QUANG

DỰA TRÊN KĨ THUẬT TRUYỀN NGƯỢC TRONG MIỀN QUANG

4.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Các giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng phi tuyến trong miền quang đã

công bố cho phép giảm cả ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến và tán sắc

trên sợi. Tuy nhiên, ở các giải pháp này có những nhược điểm nhất định,

chẳng hạn yêu cầu về vị trị đặt MSSI chính giữa tuyến truyền dẫn hay

đặc tính của phần tử quang chưa tối ưu.

Giải pháp giảm ảnh hưởng phi tuyến dựa trên kĩ thuật truyền ngược

trong miền quang sử dụng các phần tử quang sẵn có, chi phí thấp và đặt

tại phía phát được đề xuất trong chương này. Tín hiệu quang lan truyền

trong OBP, sau đó được liên hợp pha trước khi đưa đến sợi quang truyền

dẫn để tới phía thu. Như vậy, bộ OBP đề xuất đóng vai trò như một bộ

bù trước trong miền quang, nhờ đó, tăng cường sự linh hoạt khi ứng