Luận án Giải pháp truyền dẫn và chuyển tiếp tín hiệu quang dựa trên hạ tầng trên cao

0
ℎ𝑎,𝑘
(𝑢)̅̅ ̅̅ ̅, 𝛼, 𝛽, 𝛺)𝑄(
ℜ𝑃𝑡
(𝐺𝑆)
ℎ𝑙
(𝑢) ∑ ℎ𝑎,𝑘
(𝑢)𝑁
𝑘=1
𝑁𝜎𝑏
)dℎ𝑎,𝑘
(𝑢)̅̅ ̅̅ ̅
 (2.20) 
trong đó ℎ𝑎,𝑘
(𝑢)̅̅ ̅̅ ̅
= (ℎ𝑎,1
(𝑢)
, ℎ𝑖,2
(𝑢)
, ..., ℎ𝑖,𝑁
(𝑢)
) là một vectơ có độ dài N. 𝑃𝑡
(𝐺𝑆)
(t) là công suất 
phát trung bình của xung quang trong khe thời gian. ℜ là đáp ứng của PD; Q (.) là 
hàm Q; và 𝜎𝑏
2 = 2q ℜ𝑃𝑏𝑛Δf là phương sai của nhiễu nền, được coi là chiếm ưu 
thế so với nhiễu thu như nhiễu nổ và nhiễu nhiệt, Δf = MB/log2 (M) là băng thông 
nhiễu, B là tốc độ bit của hệ thống và 𝑃𝑏𝑛 là công suất nhiễu nền. Trong nghiên cứu 
này, dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời, 𝑃𝑏𝑛 lấy giá trị là 250µW cho cả UL và DL 
[47]. 
Ở đâ𝑦 ℎ𝑎
(𝑢)
= ∑ ℎ𝑎,𝑘
(𝑢)𝑁
𝑘=1 . Theo [119], ℎ𝑎
(𝑢)
 là tổng của các biến ngẫu nhiên 
Gamma-Gamma, có pdf là: 𝑓ℎ𝑎 (ℎ𝑎
(𝑢)
,𝛼𝑇 , 𝛽𝑇 , 𝛺𝑇) với 𝛼𝑇= N𝑎𝐺 + 𝜖𝐺, 𝛽𝑇 = N và 𝛺𝑇 
= N, trong đó 𝑎𝐺 = 𝛼 − 𝛽 và 
𝜖𝐺 = (𝑁 − 1)
−0,127 − 0,95𝛼 − 0,0058𝛽
1 + 0,00124𝛼 + 0,98𝛽
 (2.21) 
Công thức (2.20) được viết lại như sau: 
𝑃𝑒−𝑠𝑦𝑚
(𝑈𝐿)
≤ (𝑀 − 1) ∫ 𝑓ℎ𝑎(
∞
0
ℎ𝑎
(𝑢)
𝛼𝑇 , 𝛽𝑇 , 𝛺𝑇)𝚡𝑄(
ℜ𝑃𝑡
(𝐺𝑆)
ℎ𝑙
(𝑢)
ℎ𝑎
(𝑢)
𝑁𝜎𝑏
)dℎ𝑎
(𝑢)
 (2.22) 
 42 
b. Đường xuống HAP- GS 
Phần này phân tích hiệu năng đường xuống DL với máy thu kết hợp tại 
GS-B. Giả sử rằng máy thu kết hợp đồng bộ, mà không cần một thuật toán bổ sung 
để lấy thông tin pha khi thu được tín hiệu. Ngoài ra, phía thu có N nhánh. Với nhánh 
thứ k, tín hiệu quang nhận được trong một khe thời gian trên được xác định như sau: 
𝐸𝑠,𝑘 = 𝐴𝑠,𝑘exp [−𝑖(𝜔0𝑡 + 𝜙𝑠,𝑘)] (2.23) 
trong đó 𝜔0 là tần số sóng mang, 𝜙𝑠,𝑘 là pha và 𝐴𝑠,𝑘 là biên độ của tín hiệu thu được. 
Trường LO được đưa ra bởi một biểu thức tương tự như sau: 
𝐸𝐿𝑂 = 𝐴𝐿𝑂exp [−𝑖(𝜔𝐿𝑂𝑡 + 𝜙𝐿𝑂)] (2.24) 
trong đó 𝐴𝐿𝑂,𝜔𝐿𝑂 và 𝜙𝐿𝑂 lần lượt biểu thị biên độ, tần số và pha của LO. 
Công suất quang tại PD (P = K |𝐸𝑠,𝑘 + 𝐸𝐿𝑂|
2
, trong đó K là hằng số tỷ lệ) 
được xác định bằng cách sử dụng các công thức (2.23) và (2.24) như sau [6]: 
P = 𝑃𝑠,𝑘 + 𝑃𝐿𝑂 + 2 √𝑃𝑠,𝑘𝑃𝐿𝑂 cos (𝜔𝐼𝐹𝑡 + 𝜙𝑘) (2.25) 
trong đó 𝑃𝑠,𝑘 = K𝐴𝑠,𝑘
2 = 𝑃𝑡
(𝐻𝐴𝑃)
ℎ𝑙,𝑘
(𝑑)
ℎ𝑎,𝑘
(𝑑)
/N là công suất tín hiệu quang thu được, 
ℎ𝑙,𝑘
(𝑑)
, ℎ𝑎,𝑘
(𝑑)
 đại diện cho kênh đường xuống DL. 𝑃𝐿𝑂= K𝐴𝐿𝑂
2 là công suất LO và 
𝜔𝐼𝐹 = 𝜔0- 𝜔𝐿𝑂 được gọi là tần số trung tần. 
𝜙𝑘 = 𝜙𝑆- 𝜙𝐿𝑂 là độ lệch pha giữa tín hiệu và dao động nội. 
Dòng tách quang (IPD = ℜP, trong đó ℜ là độ nhạy) được suy ra bằng cách 
sử dụng công thức (2.25) [97]: 
𝐼𝑃𝐷,𝑘(t) =ℜ(𝑃𝑠,𝑘 + 𝑃𝐿𝑂) + 2 ℜ√𝑃𝑠,𝑘𝑃𝐿𝑂 cos (𝜔𝐼𝐹𝑡 + 𝜙𝑘) (2.26) 
Thực tế, 𝑃𝐿𝑂 lớn hơn nhiều so với 𝑃𝑠,𝑘. Vì thế dòng tách quang (tức là ℜ(𝑃𝑠,𝑘 
+ 𝑃𝐿𝑂)) gần như cố định và được loại bỏ tốt bởi một BPF. Tiếp theo, đầu ra cuối 
cùng của máy thu kết hợp sau khi xử lý tại BPF được xác định là: 
𝐼𝑝,𝑘(t) = 2 ℜ√𝑃𝑠,𝑘𝑃𝐿𝑂 cos (𝜔𝐼𝐹𝑡 + 𝜙𝑘) (2.27) 
 43 
Đối với giải điều chế đồng bộ, 𝐼𝑝,𝑘(t) được nhân với 2cos(𝜔𝐼𝐹𝑡) và được lọc 
bởi LPF, loại bỏ các thành phần dao động xoay chiều AC tại 2𝜔𝐼𝐹. Kết quả tín hiệu 
băng tần cơ sở là: 
 𝐼𝑑,𝑘(t) = 2 ℜ√𝑃𝑠,𝑘𝑃𝐿𝑂 +in (2.28) 
trong đó in là dòng nhiễu nền, nhiễu nổ và nhiễu nhiệt được tạo ra tại máy thu và 
được mô hình hóa như nhiễu Gauss với phương sai bằng không. Cần lưu ý rằng 
nhiễu nổ gây ra bởi LO và công suất nền lớn hơn nhiều so với các thành phần nhiễu 
khác do công suất LO cao. Kết quả là phương sai của dòng nhiễu được tính như sau 
[121]: 
 𝜎𝑛
2 = 𝜎𝑠ℎ
2 + 𝜎𝑏
2 = 2𝑞ℜ (𝑃𝐿𝑂 + 𝑃𝑏𝑛)∆𝑓 (2.29) 
trong đó q là điện tích của electron, ℜ là độ nhạy và ∆𝑓 = MB/log2(M) là băng thông 
nhiễu hiệu dụng. 
Giả thiết rằng kỹ thuật EGC được thực hiện tại máy thu; do đó tín hiệu của 
tất cả các nhánh thu được cộng vào. Cũng giả sử rằng dữ liệu truyền đi đủ lớn để 
xác suất phát các ký hiệu là như nhau. Bằng cách sử dụng kỹ thuật đường bao, giới 
hạn trên xác suất lỗi ký hiệu của DL được ký hiệu là 𝑃𝑒−𝑠𝑦𝑚
(𝐷𝐿)
 được xác định như sau: 
𝑃𝑒−𝑠𝑦𝑚
(𝐷𝐿)
≤ (𝑀 − 1) ∫ 𝑓ℎ𝑎,𝑘(
∞
0
ℎ𝑎,𝑘
(𝑢)̅̅ ̅̅ ̅, 𝛼, 𝛽, 𝛺)𝚡𝑄(
∑ 2 ℜ√𝑃𝑠,𝑘𝑃𝐿𝑂
𝑁
𝑘=1
𝜎𝑛
)dℎ𝑎,𝑘
(𝑢)̅̅ ̅̅ ̅
≤ (𝑀 − 1) ∫ 𝑓ℎ𝑎,𝑘(
∞
0
ℎ𝑎,𝑘
(𝑢)̅̅ ̅̅ ̅, 𝛼, 𝛽, 𝛺)𝚡𝑄(
2 ℜ√𝑃𝑡
(𝐻𝐴𝑃)
ℎ𝑙
(𝑑)
𝑃𝐿𝑂 ∑ √ℎ𝑎,𝑘
(𝑑)𝑁
𝑘=1
𝜎𝑛
)dℎ𝑎,𝑘
(𝑑)̅̅ ̅̅ ̅
(2.30) 
2.3.3. Kết quả khảo sát hiệu năng 
Trong phần này, hiệu năng BER từ đầu cuối đến đầu cuối của hệ thống OWC 
chuyển tiếp dựa trên HAP được khảo sát và trình bày trong các hình 2.5, 2.6, 2.7, 
và 2.8. Hiệu năng hệ thống đề xuất được cải thiện nhờ sử dụng M-ary, phân tập 
không gian và thu heterodyne đồng thời cũng được so sánh với hệ thống thông 
thường sử dụng OOK, SISO-UL/SISO-DLvà thu tách sóng trực tiếp. Để có sự so 
 44 
sánh công bằng giữa điều chế OOK và M-PPM, công suất phát trung bình trên mỗi 
bit từ GS (𝑃𝑏
(𝐺𝑆)
) và từ HAP (𝑃𝑏
(𝐻𝐴𝑃)
) được sử dụng như các ràng buộc so sánh. Đối 
với M-PPM, mối quan hệ giữa công suất phát trung bình trên mỗi bit và công suất 
phát của xung quang trong một khe được biểu thị dưới dạng 
 Pt = (M log2M)Pb. Bảng 2.2 đưa ra một số tham số chính được sử dụng để phân tích 
hiệu năng BER của hệ thống đề xuất. 
Bảng 2.2: Các tham số hệ thống 
Tham số Kí hiệu Giá trị 
Hằng số Boltzman kB 1.38×10-23 W/K/Hz 
Điện tích điện tử q 1.6×10-19 C 
Tốc độ gió w 21 m/s 
Độ cao HAP H 20 km 
Độ cao GS ho 1 m 
Góc thiên đỉnh ξ π/6 
Bước sóng λ 1550nm 
Hệ số suy hao 𝛾 0.4 km-1 
Tốc độ bit B 10Gbps 
Đáp ứng  0.8A/W 
Công suất nhiễu nền Pbn 250µW 
Hình 2.5 (a) khảo sát hiệu năng BER theo công suất phát trung bình trên mỗi 
bit từ GS-HAP dựa trên hệ thống chuyển tiếp sử dụng các sơ đồ OOK, 
 4-PPM và 8-PPM với SISO/SISO và 2-MISO/2-SIMO cho UL/DL. Công suất phát 
từ HAP và công suất LO được cố định tương ứng là 
𝑃𝑏
(𝐻𝐴𝑃 )
 = 9 dBm và PLO = 0 dBm. Ta thấy rằng công suất phát trung bình từ GS để 
đạt được BER yêu cầu giảm khi sử dụng M-arry PPM thay vì dùng OOK. Sử dụng 
 45 
OOK và tách sóng trực tiếp [7], hiệu năng hệ thống giảm so với hệ thống đề xuất 
như trong hình 2.5. 
Hình 2.5 Hiệu năng BER theo công suất phát trung bình trên mỗi bit 
từ GS - HAP với các mức điều chế và số thấu kính thu phát khác nhau 
với 𝑃𝑏
(𝐻𝐴𝑃)
= 9 dBm và PLO = 0 dBm. 
Xem xét trường hợp của UL/DL dựa trên SISO/SISO với BER là 10-6, công 
suất phát trung bình cần thiết trên mỗi bit từ GS là 18,4 dBm đối với trường hợp 
OOK trong khi nó chỉ là 12,7 dBm cho trường hợp 4-PPM. Bằng cách sử dụng mức 
điều chế cao hơn như 8-PPM, có thể đạt được mức công suất phát yêu cầu từ GS. 
Thực hiện phân tập không gian với nhiều thấu kính thu phát ở mỗi GS, tức là N-
MISO/N-SIMO cho UL/DL, cũng giúp giảm công suất phát cần thiết từ GS. Hình 
2.5 (b) mô tả mối quan hệ giữa BER và công suất phát từ GS cho hệ thống chuyển 
tiếp dựa trên HAP sử dụng 4-PPM. So với hệ thống sử dụng SISO/SISO, công suất 
 46 
phát cần thiết từ GS ở BER 10-6 giảm xuống 1,5 dB; 2 dB; và 2,3 dB tương ứng với 
N = 2; 3 và 4. 
Trong hình 2.6, khảo sát BER từ đầu đến cuối theo công suất phát trung bình 
trên mỗi bit từ HAP cho các M-ary PPM và số lượng thấu kính thu phát khác nhau. 
Những kết quả này được khảo sát với 𝑃𝑏
(𝐺𝑆)
= 25 dBm và PLO = -15 dBm. Tương tự, 
công suất phát yêu cầu trên mỗi bit từ HAP giảm khi sử dụng M-ary PPM như trong 
hình 2.6 (a) và phân tập không gian như trong hình 2.6(b). 
Hình 2.6 Hiệu năng BER theo công suất phát trung bình trên mỗi bit 
từ HAP với các mức điều chế và số thấu kính thu phát khác nhau 
với 𝑃𝑏
(𝐺𝑆)
= 25 dBm và PLO =-15 dBm. 
Ví dụ, công suất phát từ HAP trong hệ thống chuyển tiếp sử dụng 4-PPM và 
4-MISO/4-SIMO cho UL/DL chỉ là 5 dBm. Công suất phát thấp là một vấn đề quan 
trọng vì nó giúp kéo dài thời gian hoạt động của HAP, vốn bị hạn chế bởi nhu cầu 
nhiên liệu. 
Hình 2.7 thể hiện vai trò của máy thu coherent tại các GS bằng cách khảo sát 
hiệu năng BER theo công suất phát trung bình trên mỗi bit từ HAP với các giá trị 
 47 
công suất LO khác nhau. BER đầu cuối của hệ thống thu được đối với trường hợp 
sử dụng SISO/SISO và 3-MISO-UL/3-SIMO với 4-PPM và Pt = 25 dBm. Khi công 
suất LO tăng, BER của hệ thống đề xuất được cải thiện đáng kể. Ngoài ra, hiệu năng 
BER tốt hơn đạt được khi sử dụng phân tập không gian 
3-MISO/3-SIMO. Ngoài ra, với cùng giá trị BER, công suất phát trung bình yêu cầu 
trên mỗi bit từ HAP giảm. Cụ thể hơn, 𝑃𝑏
(𝐻𝐴𝑃)
giảm khoảng 4,1 dB khi công suất LO 
tăng từ -15 dBm đến mức -10 dBm. Việc giảm công suất phát của HAP đã tiết kiệm 
được năng lượng tiêu thụ và chi phí vận hành cho hạ tầng trên cao này. 
Hình 2.7 Hiệu năng BER theo công suất phát trung bình trên mỗi bit từ HAP với 
các giá trị công suất LO khác nhau. 
Cuối cùng, trong hình 2.8, hiệu năng BER của hệ thống OWC chuyển tiếp 
dựa trên HAP được khảo sát theo khoảng cách giữa hai GS với M-ary PPM và số 
lượng thấu kính thu phát khác nhau khi 𝑃𝑏
(𝐺𝑆)
 = 23dBm, 𝑃𝑏
(𝐻𝐴𝑃) 
= 9dBm và 
PLO = -5dBm. Việc sử dụng M-PPM hoặc phân tập không gian sẽ mở rộng khoảng 
cách giữa hai GS. Trong hình 2.8 (a), tại BER 10-6, khoảng cách được mở rộng lên 
tới 45,5 km cho hệ thống sử dụng 8-PPM với SISO/SISO cho UL/DL, lớn hơn 14,25 
 48 
km so với hệ thống sử dụng OOK. Tương tự, khoảng cách của hệ thống đề xuất tăng 
với số lượng thấu kính thu phát thể hiện trong hình 2.8 (b). Hệ thống OWC dựa trên 
HAP với 4-MISO/4-SIMO cho UL/DL có thể hỗ trợ khoảng cách lớn hơn 5 km so 
với hệ thống sử dụng SISO/SISO cho UL/DL. 
Hình 2.8 Hiệu năng BER của hệ thống OWC chuyển tiếp dựa trên HAP theo 
khoảng cách giữa hai GS với mức điều chế và số lượng thấu kính thu phát khác 
nhau khi 𝑃 𝑏
(𝐺𝑆)
 = 23 dBm,𝑃 𝑏
(𝐻𝐴𝑃) 
 = 9 dBm và PLO = -5 dBm. 
2.4 Kết luận chương 2 
Chương 2 đã trình bày chi tiết về mô hình kênh của hệ thống OWC dựa trên 
HAP với suy hao đường truyền và nhiễu loạn khí quyển. Nội dung chương 2 cũng 
đề xuất mô hình hệ thống OWC dựa trên HAP với chuyển tiếp O/E/O sử dụng kết 
hợp điều chế PPM, phân tập không gian và tách sóng coherent. Các nghiên cứu có 
liên quan mới chỉ đề xuất được các phương pháp đơn lẻ như điều chế PPM, phân 
 49 
tập không gian hoặc tách sóng Coherent. Ngoài ra các giải pháp phân tập không gian 
của các nghiên cứu liên quan mới chỉ đơn thuần là phân tập không gian cho hệ thống 
OWC . Các giải pháp này không phù hợp khi triển khai tại HAP. Kết quả phân tích 
cho thấy nhờ áp dụng kết hợp các phương pháp này đã nâng cao hiệu năng BER, 
tăng cự ly truyền dẫn đồng thời giảm được công suất tiêu thụ tại HAP. Mô hình đề 
xuất là giải pháp cho mạng truy nhập quang không dây thực hiện kết nối giữa trạm 
gốc và mạng lõi khi có sự cố không lắp đặt được cáp quang. Chuyển tiếp O/E/O 
được sử dụng trong trường hợp tốc độ xử lý hạn chế, sử dụng các phần tử xử lý tín 
hiệu điện sẵn có với chi phí thấp. 
 50 
CHƯƠNG 3: CHUYỂN TIẾP TOÀN QUANG ĐƠN HƯỚNG 
DỰA TRÊN HAP CHO HỆ THỐNG OWC 
Tóm tắt: Nội dung của chương 3 đề xuất hai giải pháp cho hệ thống truyền 
dẫn và chuyển tiếp tín hiệu quang đơn hướng dựa trên HAP. Hệ thống thứ nhất với 
kịch bản là truyền dẫn đa chặng dựa trên HAP chuyển tiếp toàn quang và tách sóng 
coherent kết nối 02 trạm mặt đất. Hệ thống thứ hai với kịch bản truyền dẫn quang 
từ vệ tinh LEO đến trạm mặt đất chuyển tiếp dựa trên HAP. Xây dựng mô hình giải 
tích và mô phỏng hiệu năng của các hệ thống này cũng được trình bày trong chương. 
Hiệu năng BER được khảo sát với các thông số khác nhau của hệ thống như: công 
suất phát, công suất ngưỡng, công suất LO và độ cao của HAP. Kết quả nghiên cứu 
chương 3 đã được công bố trong 01 bài báo đăng trên tạp chí quốc tế ISI [J2] và 2 
hội nghị khoa học [C1] và [C2]. 
3.1. Đặt vấn đề 
Như đã trình bày trong chương 2, hạ tầng trên cao HAP đóng vai trò là nút 
chuyển tiếp, thực hiện khuếch đại hoặc tái tạo tín hiệu nhận được trước khi chuyển 
tiếp đến nút tiếp theo. Tuy nhiên, với chuyển tiếp O/E/O, tín hiệu quang được chuyển 
đổi thành tín hiệu điện sau đó được khuếch đại trước khi chuyển đổi trở lại miền 
quang và truyền đến nút tiếp theo [26], [22]. Kỹ thuật chuyển tiếp này giới hạn tốc 
độ xử lý tín hiệu. Nó cũng đòi hỏi các thành phần bổ sung cho chuyển đổi 
quang/điện/quang, dẫn đến kiến trúc của HAP phức tạp. Trong trường hợp chuyển 
tiếp toàn quang, tín hiệu được xử lý trong miền quang và sau đó chuyển tiếp đến nút 
tiếp theo. Kỹ thuật chuyển tiếp này cung cấp tốc độ dữ liệu cao với sự trợ giúp của 
các bộ lọc và bộ khuếch đại quang, được gọi là kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp 
toàn quang (OAF) [74], [88]. Một nghiên cứu gần đây cho thấy rằng tái tạo và 
chuyển tiếp toàn quang (ORF) là một kỹ thuật chuyển tiếp quang tốt hơn, có thể 
giúp loại bỏ nhiễu nền tích lũy tại các nút chuyển tiếp [9]. ORF có thể được thực 
hiện bằng cách sử dụng bộ giới hạn cứng quang (OHL) kết hợp với bộ khuếch đại 
 51 
quang [85]. Với những ưu điểm của kỹ thuật chuyển tiếp toàn quang như đã đề cập 
ở trên, trong chương này, luận án đề xuất 02 kịch bản truyền dẫn và chuyển tiếp toàn 
quang dựa trên HAP. Trong đó, kỹ thuật tái tạo và chuyển tiếp toàn quang được áp 
dụng cho cả hai kịch bản. 
Kịch bản thứ nhất: luận án đề xuất mô hình hệ thống OWC kết nối 02 trạm 
mặt đất với sự hỗ trợ chuyển tiếp đa chặng toàn quang nhiều HAP. Đồng thời, bộ 
thu tách sóng coherent được sử dụng để tăng độ nhạy thu, giảm công suất phát yêu 
cầu hay tăng cự ly truyền dẫn giữa hai trạm mặt đất. 
Kịch bản thứ hai: luận án đề xuất mô hình hệ thống OWC kết nối một vệ 
tinh ở quỹ đạo thấp với một trạm mặt đất, trong đó tín hiệu được chuyển tiếp toàn 
quang thông qua một HAP. Trong kịch bản này, ngoài việc đánh giá hiệu năng BER 
của hệ thống, mô hình mô phỏng và đánh giá chất lượng truyền dẫn ảnh cũng được 
thực hiện. 
3.2. Hệ thống OWC chuyển tiếp toàn quang dựa trên nhiều HAP và tách sóng 
coherent 
Mô hình hệ thống OWC bao gồm một HAP và hai GS được xem xét trong 
[125], trong đó các tác giả chỉ xem xét ước tính các tham số kênh OWC bao gồm sự 
suy hao do phân kỳ, suy hao do khí quyển, suy hao do nhiễu loạn và trễ lan truyền. 
Nghiên cứu sinh cũng đã đề xuất hệ thống truyền dẫn quang kết nối hai trạm mặt 
đất với chuyển tiếp toàn quang dựa trên một HAP trong công trình nghiên cứu [C1]. 
Tuy nhiên, thực tế khi khoảng cách giữa hai trạm mặt đất quá xa nhau, việc sử dụng 
một trạm chuyển tiếp HAP là không đủ. Trong [96], các tác giả đã đề xuất mô hình 
hệ thống OWC dựa trên nhiều HAP với hai GS. Xem xét ảnh hưởng của suy hao 
đường truyền, nhiễu loạn khí quyển bởi phân phối gamma gamma và lỗi đồng chỉnh, 
các tác giả đã rút ra biểu thức dạng tường minh cho BER và công suất trung bình 
cho các hệ thống OWC đa chặng trong tầng bình lưu. Tuy nhiên, trong nghiên cứu 
này hệ thống là chuyển tiếp điện và tách sóng trực tiếp. Do đó, trong nghiên cứu 
này, luận án đề xuất một hệ thống OWC đa chặng dựa trên nhiều HAP sử dụng 
 52 
chuyển tiếp toàn quang và tách sóng coherent. Chuyển tiếp toàn quang dựa trên thiết 
bị tách quang-khuếch đại-và-chuyển tiếp ODAF, giúp đơn giản hóa kiến trúc của 
HAP. Ngoài ra, máy thu tách sóng coherent được sử dụng để cải thiện độ nhạy của 
hệ thống. Để xem xét tính khả thi trong đề xuất, luận án đưa ra kiến trúc chi tiết của 
hệ thống OWC đa chặng dựa trên nhiều HAP bao gồm một máy phát, các nút chuyển 
tiếp toàn quang và máy thu tách sóng coherent. Biểu thức cho tỷ lệ lỗi bit BER của 
hệ thống OWC được đề xuất cho kênh nhiễu loạn khí quyển được mô hình hóa bởi 
phân bố Gamma-Gamma. Cuối cùng, hiệu năng BER được khảo sát với các thông 
số khác nhau của hệ thống như: công suất phát, công suất ngưỡng, công suất LO, số 
trạm HAP. 
3.2.1. Mô hình thiết kế hệ thống OWC đa chặng dựa trên nhiều HAP 
Hình 3.1 mô tả sơ đồ của hệ thống OWC đa chặng dựa trên nhiều HAP được 
đề xuất bao gồm hai trạm mặt đất, được ký hiệu là trạm GS-A, trạm GS-B và các 
trạm chuyển tiếp HAP. 
Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống OWC chuyển tiếp dựa trên nhiều HAP. 
Mô hình hệ thống bao gồm ba phần. Phần thứ nhất là trạm mặt đất phát tín 
hiệu. Phần thứ hai là hệ thống chuyển tiếp đa chặng dựa trên nhiều HAP như các 
trạm trung gian (HAPi, i = 1, 2, 3, ...). Phần thứ ba là trạm mặt đất thu tín hiệu. 
 53 
Trong hệ thống này, giả sử rằng tổng khoảng cách truyền từ GS-A đến 
 GS-B qua N HAP là: 
𝐿𝐴−𝐵 = ∑ 𝐿𝑖 +
𝑁
𝑖 = 1
𝐿𝑈 + 𝐿𝐷 
(3.1) 
trong đó Li là khoảng cách truyền từ HAP thứ (i) đến HAP thứ (i + 1), LU là khoảng 
cách từ GS-A đến HAP1 và LD là khoảng cách từ HAPN đến GS-B. L là khoảng cách 
địa lý trên mặt đất giữa GS-A và GS-B. 
Tại GS-A, tín hiệu được điều chế OOK, sử dụng diode laser ở bước sóng 
1550 nm. Sau đó, tín hiệu được truyền đi qua kênh OWC chuyển tiếp qua N HAP 
đến phía thu. Chuyển tiếp toàn quang ODAF được sử dụng tại mỗi HAP. Tại HAP, 
tín hiệu thu sẽ được quyết định giữa bit 1 và bit 0 nhờ bộ giới hạn quang (OHL). 
Sau đó, tín hiệu đầu ra của OHL được khuếch đại với hệ số khuếch đại G = Pt/Pth, 
với Pt là công suất phát và Pth là công suất ngưỡng. Tín hiệu sau đó được chuyển 
đến HAP tiếp theo. 
Tại GS-B, tín hiệu thu được kết hợp với tín hiệu quang liên tục từ bộ dao 
động nội. Tiếp theo, tín hiệu quang được chuyển đổi thành điện bằng bộ tách sóng 
quang APD. Sau đó, bộ lọc thông dải BPF được sử dụng để loại bỏ tín hiệu không 
mong muốn. Các tín hiệu đầu ra kết hợp với tín hiệu tham chiếu và vòng khóa pha 
được thực hiện bởi bộ lọc thông thấp LPF. Tín hiệu đầu ra của LPF được sử dụng 
để phát hiện bit 1 hoặc bit 0 dựa trên giá trị ngưỡng ở mạch quyết định. 
Điều đáng chú ý là hiệu năng của máy thu bị ảnh hưởng bởi nhiễu nền không 
mong muốn do ánh sáng mặt trời trực tiếp, ánh sáng mặt trời phản xạ. Nhiễu nền 
được mô tả bằng nhiễu Gauss trắng với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai 
𝛿b2= Nb/2, trong đó Nb = Pb/B0 là mật độ phổ công suất phát xạ nền, Pb biểu thị công 
suất ánh sáng nền ở đầu vào của HAP hoặc các GS và B0 là băng tần của bộ khuếch 
đại quang. 
 54 
Trong hệ thống đề xuất, các kênh có thể được chia thành hai phần. Phần đầu 
tiên là kênh OWC giữa các GS và HAP. Phần thứ hai là kênh OWC giữa các HAP. 
3.2.2. Phân tích hiệu năng hệ thống 
Trong hệ thống, có hai khả năng trao đổi bit nhị phân chính xác giữa GS-A 
và GS-B: Truyền bit 0 và truyền bit 1, được mô tả trong hình 3.2. 
Hình 3.2 Hai khả năng trao đổi bit nhị phân giữa GS-A và GS-B. 
a. Đường truyền từ GS- HAP 
Xác suất lỗi của đường lên OWC bị chi phối bởi công suất ngưỡng Pth của 
OHL tại HAP. PX −P (a|b), xác suất có điều kiện của sự kiện mà nút X (tức là A hoặc 
B) truyền bit b và HAP nhận bit a với a, b ∈ {0,1}, được xác định như sau: 
 𝑃𝐴−𝐻1(0/1)= 
1
2
∫ 𝑓ℎ𝑎
∞
0
(ℎ𝑎 ) 𝑒𝑟𝑓𝑐 (
𝑃𝑡ℎ𝑎ℎ𝑙−𝑃𝑡ℎ
√2𝛿𝑏
2
)𝑑ℎ𝑎 
(3.2) 
𝑃𝐴−𝐻1(1/0)= 
1
2
 𝑒𝑟𝑓𝑐 (
𝑃𝑡ℎ
√2𝛿𝑏
2
) 
(3.3) 
trong đó Pth là công suất ngưỡng của OHL tại HAP1, 𝛿𝑏
2 là phương sai của nhiễu nền 
và hàm bù lỗi được xác định như sau [111]: 
 𝑒𝑟𝑓𝑐(𝑥) = 
2
√𝜋
∫ 𝑒−𝑡
2
∞
𝑥
𝑑𝑡 
(3.4) 
𝑃𝐴−𝐻1 (0/1) được xác định như sau: 
 55 
𝑃𝑋−𝑃(0/1) ≈
1
2
(𝑁1 + 𝑁2) 
(3.5) 
ở đây 
𝑁1 ≈
𝑒
−(𝑃𝑡ℎ)
2
2𝜎𝑏
2
𝚡2𝛼+𝛽−3
3𝜋𝛤(𝛼)𝛤(𝛽)
∑
1
𝜅!
∞
𝜅=0
(
4𝑃𝑡𝑃𝑡ℎℎ𝑙
𝛼𝛽𝜎𝑏
2 )
𝜅
 × 𝐺4,1
1,4 [⟨
8(𝑃𝑡ℎ𝑙)
2
(𝛼𝛽)2𝜎𝑏
2 |
1−𝜅−𝛼
2
,
2−𝜅−𝛼
2
,
1−𝜅−𝛽
2
,
2−𝜅−𝛽
2
0
⟩] 
(3.6) 
và 
𝑁2 ≈
𝑒
−2(𝑃𝑡ℎ)
2
3𝜎𝑏
2
𝚡2𝛼+𝛽−3
𝜋𝛤(𝛼)𝛤(𝛽)
∑
1
𝑖!
∞
𝑖=0
(
16𝑃𝑡𝑃𝑡ℎℎ𝑙
3𝛼𝛽𝜎𝑏
2 )
𝑖
× 𝐺4,1
1,4 [⟨
32(𝑃𝑡ℎ𝑙)
2
3(𝛼𝛽)2𝜎𝑏
2 |
1−𝑖−𝛼
2
,
2−𝑖−𝛼
2
,
1−𝑖−𝛽
2
,
2−𝑖−𝛽
2
0
⟩] 
(3.7) 
t Trong đó G là hàm Meijer. 
b. Đường truyền HAP- HAP 
PHi −Hi+1(a|b) xác suất có điều kiện của sự kiện mà HAPi truyền bit b và 
HAP(i+1) nhận bit a với a, b ∈ {0,1}được xác định như sau: 
 𝑃𝐻𝑖−𝐻𝑖+1(0/1)= 
1
2
∫ 𝑓ℎ𝑎𝑖
∞
0
(ℎ𝑎
𝑖 )𝑒𝑟𝑓𝑐 (
�