Với sự phát triển của mạng truyền thông theo hướng băng thông rộng và di động, hệ thống truyền thông không dây cáp quang (ROF) tích hợp truyền thông cáp quang và truyền thông không dây, phát huy tối đa ưu điểm băng thông rộng và chống nhiễu của các đường cáp quang cũng như truyền thông không dây. . Tính năng tiện lợi, linh hoạt đáp ứng nhu cầu băng thông rộng của người dân. Công nghệ ROF ban đầu chủ yếu dành riêng cho việc cung cấp các dịch vụ truyền dẫn không dây tần số cao, chẳng hạn như truyền dẫn cáp quang sóng milimet. Với sự phát triển và trưởng thành của công nghệ ROF, người ta bắt đầu nghiên cứu mạng truyền dẫn có dây và không dây lai, tức là hệ thống truyền thông không dây cáp quang (ROF) cung cấp dịch vụ có dây và không dây cùng một lúc. Với sự phát triển nhanh chóng của thông tin vô tuyến, tình trạng thiếu tài nguyên phổ tần ngày càng trở nên trầm trọng hơn. Làm thế nào để cải thiện việc sử dụng phổ tần trong điều kiện tài nguyên không dây hạn chế nhằm giảm bớt mâu thuẫn giữa cung và cầu tài nguyên phổ tần đã trở thành một vấn đề cần giải quyết trong lĩnh vực truyền thông. Đài phát thanh nhận thức (CR) là một công nghệ chia sẻ phổ tần thông minh. Nó có thể cải thiện hiệu quả việc sử dụng tài nguyên phổ tần thông qua việc “sử dụng thứ cấp” phổ tần được cấp phép và đã trở thành điểm nóng nghiên cứu trong lĩnh vực truyền thông. Trong mạng cục bộ không dây 802.11 [1], mạng khu vực đô thị 802.16 [2] và mạng truyền thông di động 3G [3] đã bắt đầu nghiên cứu ứng dụng công nghệ vô tuyến nhận thức để nâng cao năng lực của hệ thống và bắt đầu nghiên cứu ứng dụng công nghệ vô tuyến nhận thức. Công nghệ ROF để đạt được sự truyền tải hỗn hợp các tín hiệu kinh doanh khác nhau [4]. Mạng truyền thông không dây cáp quang dựa trên vô tuyến nhận thức truyền tín hiệu có dây và không dây là xu hướng phát triển của mạng truyền thông trong tương lai. Hệ thống ROF truyền dẫn lai dựa trên công nghệ vô tuyến nhận thức phải đối mặt với nhiều thách thức mới, chẳng hạn như thiết kế kiến trúc mạng, thiết kế giao thức lớp, tạo tín hiệu điều chế có dây và không dây dựa trên nhiều dịch vụ, quản lý mạng và nhận dạng tín hiệu điều chế.
1 Công nghệ vô tuyến nhận thức
Đài phát thanh nhận thức là một cách hiệu quả để giải quyết tình trạng thiếu phổ tần và việc sử dụng không đúng mức phổ tần. Đài phát thanh nhận thức là một hệ thống liên lạc không dây thông minh. Nó cảm nhận được việc sử dụng phổ tần của môi trường xung quanh và điều chỉnh các thông số của chính nó một cách thích ứng thông qua việc học để đạt được việc sử dụng hiệu quả. Tài nguyên quang phổ và thông tin liên lạc đáng tin cậy. Ứng dụng vô tuyến nhận thức là công nghệ then chốt để hiện thực hóa tài nguyên phổ từ phân bổ cố định sang phân bổ động. Trong hệ thống vô tuyến nhận thức, để bảo vệ người dùng được ủy quyền (hoặc trở thành người dùng chính) khỏi sự can thiệp từ người dùng nô lệ (hoặc người dùng CR), chức năng của cảm biến phổ là nhận biết liệu người dùng được ủy quyền có tồn tại hay không. Người dùng vô tuyến nhận thức có thể tạm thời sử dụng băng tần khi được giám sát rằng băng tần mà người dùng được ủy quyền sử dụng không được sử dụng. Khi được giám sát rằng dải tần của người dùng được ủy quyền đang được sử dụng, người dùng CR sẽ giải phóng kênh cho người dùng được ủy quyền, do đó đảm bảo rằng người dùng CR không can thiệp vào người dùng được ủy quyền. Do đó, mạng truyền thông không dây nhận thức có những đặc điểm nổi bật sau: (1) Người dùng chính có quyền ưu tiên tuyệt đối để truy cập kênh. Một mặt, khi người dùng được ủy quyền không chiếm kênh, người dùng phụ có cơ hội truy cập kênh nhàn rỗi; khi người dùng chính xuất hiện lại, người dùng phụ phải thoát khỏi kênh đang sử dụng kịp thời và trả lại kênh cho người dùng chính. Mặt khác, khi người dùng chính chiếm kênh, người dùng phụ có thể truy cập kênh mà không ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ của người dùng chính. (2) Thiết bị đầu cuối truyền thông CR có chức năng nhận thức, quản lý và điều chỉnh. Đầu tiên, thiết bị đầu cuối truyền thông CR có thể nhận biết phổ tần số và môi trường kênh trong môi trường làm việc, đồng thời xác định việc chia sẻ và phân bổ tài nguyên phổ theo các quy tắc nhất định theo kết quả phát hiện; mặt khác, thiết bị đầu cuối truyền thông CR có khả năng điều chỉnh các thông số làm việc trực tuyến, chẳng hạn như thay đổi. Các thông số truyền như tần số sóng mang và phương pháp điều chế có thể thích ứng với những thay đổi của môi trường. Trong các mạng truyền thông không dây nhận thức, cảm biến quang phổ là một công nghệ chủ chốt. Các thuật toán cảm biến phổ thường được sử dụng bao gồm phát hiện năng lượng, phát hiện bộ lọc phù hợp và phương pháp phát hiện tính năng tuần hoàn. Những phương pháp này có ưu điểm và nhược điểm riêng. Hiệu suất của các thuật toán này phụ thuộc vào thông tin thu được trước đó. Các thuật toán cảm biến phổ hiện có là: bộ lọc phù hợp, phương pháp phát hiện năng lượng và phương pháp phát hiện đặc trưng. Bộ lọc phù hợp chỉ có thể được áp dụng khi biết được tín hiệu chính. Máy dò năng lượng có thể được áp dụng trong trường hợp không xác định được tín hiệu chính, nhưng hiệu suất của nó sẽ giảm khi sử dụng thời gian cảm nhận ngắn. Bởi vì ý tưởng chính của bộ dò đặc trưng là sử dụng tính tuần hoàn của tín hiệu để phát hiện thông qua hàm tương quan phổ. Nhiễu là tín hiệu dừng rộng và không có mối tương quan, trong khi tín hiệu được điều chế có tương quan và ổn định theo chu kỳ. Do đó, hàm tương quan phổ có thể phân biệt năng lượng của nhiễu và năng lượng của tín hiệu điều chế. Trong môi trường có nhiễu không chắc chắn, hiệu suất của bộ dò đặc trưng sẽ tốt hơn so với bộ dò năng lượng. Hiệu suất của bộ phát hiện đặc trưng trong điều kiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu thấp bị hạn chế, độ phức tạp tính toán cao và yêu cầu thời gian quan sát dài. Điều này làm giảm thông lượng dữ liệu của hệ thống CR. Với sự phát triển của công nghệ truyền thông không dây, tài nguyên phổ tần ngày càng trở nên căng thẳng. Vì công nghệ CR có thể giảm bớt vấn đề này nên công nghệ CR đã được chú ý trong các mạng truyền thông không dây và nhiều tiêu chuẩn mạng truyền thông không dây đã đưa vào công nghệ vô tuyến nhận thức. Chẳng hạn như IEEE 802.11, IEEE 802.22 và IEEE 802.16h. Trong thỏa thuận 802.16h, có một nội dung quan trọng về lựa chọn phổ động để tạo thuận lợi cho việc sử dụng các dải tần vô tuyến và truyền hình của WiMAX và nền tảng của nó là công nghệ cảm biến phổ. Trong tiêu chuẩn quốc tế IEEE 802.11h cho mạng cục bộ không dây, hai khái niệm quan trọng đã được đưa ra: lựa chọn phổ động (DFS) và điều khiển công suất phát (TPC) và vô tuyến nhận thức đã được áp dụng cho mạng cục bộ không dây. Trong tiêu chuẩn 802.11y, công nghệ ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) được sử dụng để cung cấp nhiều tùy chọn băng thông khác nhau, có thể đạt được chuyển đổi băng thông nhanh chóng. Các hệ thống WLAN (mạng cục bộ không dây) có thể tận dụng các đặc tính của OFDM để tránh tránh bằng cách điều chỉnh các tham số công suất và băng thông truyền tải. Gây trở ngại cho những người dùng khác làm việc trong dải tần này. Bởi vì hệ thống không dây cáp quang có ưu điểm là băng thông truyền thông cáp quang rộng và các đặc tính linh hoạt của truyền thông không dây nên nó đã được sử dụng rộng rãi. Trong những năm gần đây, việc truyền tín hiệu WLAN nhận thức tần số vô tuyến trong cáp quang đã thu hút được sự chú ý. Tác giả tài liệu [5-6] đề xuất rằng tín hiệu vô tuyến nhận thức của hệ thống ROF được truyền theo kiến trúc và các thí nghiệm mô phỏng cho thấy hiệu suất mạng đã được cải thiện.
2 Kiến trúc hệ thống truyền dẫn không dây cáp quang lai dựa trên ROF
Để đáp ứng nhu cầu của các dịch vụ đa phương tiện để truyền video, mạng cáp quang đến nhà (FFTH) mới nổi sẽ trở thành công nghệ truy cập băng thông rộng tối ưu và mạng quang thụ động (PON) sẽ trở thành tâm điểm chú ý khi nó xuất hiện ngoài. Vì các thiết bị được sử dụng trong mạng PON là thiết bị thụ động nên chúng không cần nguồn điện, có thể miễn nhiễm với ảnh hưởng của nhiễu điện từ bên ngoài và sét, có thể truyền tải dịch vụ trong suốt và có độ tin cậy hệ thống cao. Mạng PON chủ yếu bao gồm mạng quang thụ động ghép kênh phân chia thời gian (TDM-PON) và mạng quang thụ động ghép kênh phân chia bước sóng (WDM-PON). So với TDM-PON, WDM-PON có đặc điểm là băng thông dành riêng cho người dùng và độ bảo mật cao, trở thành mạng truy cập quang tiềm năng nhất trong tương lai. Hình 1 thể hiện sơ đồ khối của hệ thống WDM-PON.