Nghiên cứu công nghệ truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy và ứng dụng

Đề tài : Nghiên cứu công nghệ truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy và ứng dụngNội dung đồ án bao gồm ba phần chính sau:Chương 1: Tổng quan về công nghệ truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấyChương 2: Nghiên cứu hệ thống truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấyChương 3: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy

KHOA VIỄN THÔNG I

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài : “Nghiên cứu công nghệ truyền thông bằng ánh

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Điểm: ……….……… (Bằng chữ: … ……….)

Hà Nội, ngày tháng năm 2012

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

ThS Đỗ Văn Tráng

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Điểm: ……….……… (Bằng chữ: … ……….)

Hà Nội, ngày tháng năm 2012

GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

LỜI NÓI ĐẦU ix

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY – VISIBLE LIGHT COMMUNICATION 1

1.1 Giới thiệu chương 1

1.2 Khái niệm Visible Light Communication 1

1.3 Lịch sử phát triển của Visible Light Communication 2

1.4 Các ưu điểm của công nghệ Visible Light Communication 8

1.5 Các thành phần trong hệ thống Visible Light Communication 9

1.6 Kết luận chương 12

CHƯƠNG II – NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY 13

2.1 Giới thiệu chương 13

2.2 Thành phần phát trong hệ thống VLC 13

2.2.1 LED 13

2.3 Các phương pháp điều chế và điều chỉnh độ sáng trong VLC 17

2.3.1 Phương pháp điều chế khóa bật tắt On-Off Keying (OOK) 18

2.3.2 Phương pháp điều chế vị trí xung biến đổi (Variable Pulse Position Modulation – VPPM) 21

2.3.3 Phương pháp điều chế Khóa dịch màu (Color-Shift Keying) 23

2.4 Kỹ thuật mã hóa 33

2.5 Mô hình kênh 34

2.6 Mô hình kết nối 35

2.6.1 Mô hình kết nối Line of Sight 35

2.6.2 Mô hình kết nối None Line of Sight 36

2.7 Nhiễu trong VLC 37

2.7.1 Nhiễu nhiệt 37

2.7.2 Nhiễu nổ 37

2.7.3 Các yếu tố khác ảnh hưởng đến hệ thống VLC 38

2.8 Phần tử thu trong hệ thống VLC 38

2.8.1 Diode tách quang 39

2.8.2 Chip cảm biến hình ảnh (Image Sensor – IS) 41

2.8.3 Bộ tập trung quang 42

2.8.4 Bộ lọc quang 43

2.9 Kết luận chương 44

CHƯƠNG III – NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG QUA ÁNH SÁNG NHÌN THẤY 45

3.1 Giới thiệu chương 45

3.2 Ứng dụng công nghệ Visible Light Communication 45

3.2.1 Mô hình thiết bị đầu cuối ứng dụng VLC 45

3.2.2 Một số mô hình ứng dụng đang được nghiên cứu và thực hiện 47

3.3 Thực hiện truyền dẫn sử dụng ứng dụng VLC cho các thiết bị di động – Picapicamera 53

3.3.1 Tính năng và nguyên tắc hoạt động của ứng dụng Picapicamera 53

3.3.2 Sử dụng Picapicamera để gửi và nhận thông tin 54

3.4 Kết luận chương 55

KẾT LUẬN 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gaussian trắng cộng

CMOS Comlementary Semiconductor Metal-Oxide- Vi mạch tích hợp

CPC Compound Parabolic Concentrator Bộ tập trung quang parabol kết hợp

FIT Fraunhofer Telecommunications Insitute of Viện truyền thông Fraunhofer

FPS Frame per Second Số khung hình trên giây

FSO Free-Space Optical Truyền dẫn quang trong không gian tự do

IM/DD Intensity Detection Modulation/Direct Điều chế cường độ/tách sóng trực tiếp

JEITA Japan Electronics and Information Technology Industries Association Hiệp hội công nghệ thông tin và điện tử Nhật Bản

Li-Fi Light Fidelity

Truyền thông không dây

sử dụng ánh sáng nhìn thấy

MFTP Maximum Flickering Time Period Thời gian nhấp nháy tối đa MIMO Multi-Input Multi-Output Kỹ thuật truyền dẫn đa thu phát

NRZ None-Return-to-Zero Không trở về 0

OFDM Orthogonal Multiplexing Frequency-Division Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

PLC Power Line Communication Truyền thông bằng đường điện PLL Perceived Level of Light Mức độ sáng cảm nhận được PoE Power over Ethernet Cấp nguồn qua cáp Ethernet PPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

VLC Visible Light Communication Truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy VPPM Variable Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung biến đổi Wi-Fi Wireless Fidelity Truyền thông không dây sử dụng sóng vô tuyến

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Quang phổ ánh sáng nhìn thấy 1

Hình 1.2 Người Mỹ bản địa sử dụng tín hiệu khói 2

Hình 1.3 Hải đăng Alexandria 3

Hình 1.4 Phía phát của photophone 4

Hình 1.5 Phía thu 5

Hình 1.6 Truyền thông VLC sử dụng bóng đèn LED 6

Hình 1.7 Dải tần của sóng ánh sáng nhìn thấy 8

Hình 1.8 Truyền thông bằng công nghệ PLC 10

Hình 1.9 Cấp nguồn và kết nối LED thông qua cáp Ethernet 11

Hình 2.1 Mô hình thành phần phát trong hệ thống VLC 13

Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của LED 14

Hình 2.3 Hai loại LED phát ánh sáng trắng 15

Hình 2.4 Phổ phát xạ của (a) LED đơn chip và (b) LED RGB 15

Hình 2.5 Mối quan hệ giữa PLL và MLL 18

Hình 2.6 Hàm cơ sở (a) và Không gian tín hiệu OOK (b) 19

Hình 2.7 Tăng độ sáng bằng cách chèn thêm ký hiệu thừa CS 20

Hình 2.8 Hàm cơ sở của 2-PPM 21

Hình 2.9 Mô hình VPPM cấu tạo từ 2-PPM với độ sáng 50% (a) và PWM để điều chỉnh độ sáng (b) 22

Hình 2.10 Dạng sóng của tín hiệu VPPM với độ rộng xung 75% 23

Hình 2.11 Hàm gán màu XYZ 24

Hình 2.12 Không gian màu CIE với hai trục xy và 7 dải màu (000 đến 110) 26

Hình 2.13 Quá trình điều chế CSK 27

Hình 2.14 Không gian ký hiệu 4-CSK 28

Hình 2.15 Ánh xạ dữ liệu đối với 4-CSK 29

Hình 2.16 Không gian tín hiệu 8-CSK 29

Hình 2.17 Ánh xạ dữ liệu đối với 8-CSK 30

Hình 2.18 Không gian ký hiệu 16-CSK 30

Hình 2.19 Ánh xạ dữ liệu đối với 16-CSK 31

Hình 2.20.Khối mã hóa và điều chế VPPM 33

Hình 2.21 Mô hình kênh truyền VLC IM/DD 34

Hình 2.22 Minh họa mô hình kết nối Wide-LOS (FOV rộng) 36

Hình 2.23 Minh họa mô hình kết nối Narrow-LOS (FOV hẹp) 36

Hình 2.23 Minh họa mô hình kết nối NLOS 36

Hình2.24.Các bước thu tín hiệu VLC 39

Hình 2.25 Cấu trúc Diode PIN 39

Hình 2.26 Cấu trúc Diode thác APD 40

Hình 2.27 Chip cảm biến hình ảnh CMOS 42

Hình 2.28 Bộ tập trung quang CPC 42

Hình 2.29 Quá trình phản xạ tại CPC 43

Hình 3.1 Mô hình các thiết bị đầu cuối với môi trường trong nhà 45

Hình 3.2 Mô hình truyền dẫn với môi trường ngoài trời 46

Hình 3.3 Mô hình dự án OMEGA 47

Hình 3.4 Mô hình hệ thống truyền dẫn VLC của viện truyền thông Fraunhofer 48

Hình 3.5 Mô hình hệ thống truyền dẫn MIMO của đại học Oxford (2008) 49

Hình 3.6 Mô hình truyền dẫn của đại học Nagoya 50

Hình 3.7 Camera thu gắn trong xe (a) và Bảng LED phát (16x16) 50

Hình 3.8 Xác định vị trí nguồn phát (a) và Cắt bỏ hình ảnh thừa (b) 51

Hình 3.9 Bóng đèn được gắn dưới kệ hàng (a) và xe đẩy hàng gắn máy thu (b) 52

Hình 3.10 Sơ đồ bố trí đèn (a) và tốc độ di chuyển trong siêu thị (b) 52

Hình 3.11 Giao diện của ứng dụng Picapicamera 53

Hình 3.12 Quá trình gửi tin nhắn 55

Hình 3.13 Quá trình nhận tin nhắn 55

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Chu trình phát triển của công nghệ VLC 7

Bảng 2.1 Các dải màu trong không gian màu CIE 1931 với tọa độ màu (x, y) 26

Bảng 2.2 Các trường hợp kết hợp dải màu hợp lệ 28

Bảng 2.3 Tọa độ của các điểm ký hiệu với 3 dải màu được chọn 32

Bảng 2.4 Tốc độ của ba phương pháp điều chế với các loại mã hóa 34

Bảng 2.5 Một số loại Diode PIN của hãng HAMAMATSU 41

Bảng 3.1 Các ứng dụng với môi trường trong nhà 46

Bảng 3.2 Một vài thông số của hệ thống MIMO của đại học Oxford (2008) 48

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, mạng truyền thông không dây vẫn chỉ sử dụng sóng vô tuyến làmphương tiện truyền dẫn chính Mặc dù đang rất phát triển với tốc độ ngày càng tăngnhưng công nghệ này cũng có một số hạn chế như băng thông sẽ tới lúc cạn kiệt (donhu cầu sử dụng tăng rất nhanh), hạn chế khi sử dụng trong một số môi trường nhưbệnh viện (dễ ảnh hưởng tới độ chính xác và chế độ hoạt động của các thiết bị y tế), vàkhông thể sử dụng gần khu vực không lưu của sân bay do đặc tính của sóng vô tuyến

có thể gây nhiễu lên điều hành máy bay… Mặt khác, sự phát triển mạnh mẽ của Diodephát quang (Light Emitting Diode – LED) với nhiều ưu điểm như hiệu quả chiếu sángcao, tiết kiệm điện năng sẽ giúp hiện thực hóa các ý tưởng sử dụng ánh sáng nhìn thấy

để truyền dẫn thông tin

Công nghệ truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy (Visible LightCommunication –VLC) được xem như là một lời giải cho bài toán về băng thông cũngnhư các nhược điểm khác của công nghệ truyền thông sử dụng sóng vô tuyến với băngthông sử dụng gần như không giới hạn, không gây xuyên nhiễu nên có thể sử dụng ởcác môi trường bệnh viện, sân bay Đặc biệt hơn nữa chúng ta có thể xây dựng hạ tầngvừa dùng để chiếu sáng vừa dùng để truyền thông sử dụng nguồn phát ánh sáng là cácbóng đèn LED

Vì vậy, em đã chọn lựa đề tài đồ án tốt nghiệp là “Nghiên cứu công nghệ

truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy và ứng dụng”.

Nội dung đồ án bao gồm ba phần chính sau:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy

Chương 2: Nghiên cứu hệ thống truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy

Chương 3: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy

Do thời gian và hiểu biết còn hạn chế nên chắc chắn đồ án không tránh khỏi rấtnhiều thiếu sót Em rất mong nhận được sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và ý kiến góp

ý của các bạn độc giả để đồ án được hoàn thiện hơn

Em xin cảm ơn các thầy cô giáo tại Học viện công nghệ Bưu Chính Viễn Thông

đã giảng dạy và giúp đỡ em trong quá trình học tập cũng như thực hiện đồ án, cảm ơncác thành viên ban quản trị trên diễn đàn www.vntelecom.org đã giúp đỡ em phần tàiliệu để hoàn thành đồ án

Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn ThS Đỗ Văn Tráng – Viện Khoa Học KỹThuật Bưu Điện đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Hà Nội, ngày 28 tháng 11 năm 2012

Sinh viên

Phí Thanh Tùng

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG

BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY – VISIBLE LIGHT

COMMUNICATION

1 Giới thiệu chương

Hiện nay việc sử dụng sóng vô tuyến, tia hồng ngoại (infra-red) hay laser đểtruyền dữ liệu không còn xa lạ Nhưng việc sử dụng ánh sáng trong dải nhìn thấy được

để truyền dẫn thông tin là một ý tưởng rất mới và hiện công nghệ truyền thông bằngánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communication) vẫn đang được các nhà khoa học

nỗ lực nghiên cứu và phát triển Chương I sẽ trình bày một cách tổng quan về côngnghệ đang rất hứa hẹn trong tương lai này

2 Khái niệm Visible Light Communication

Visible Light Communication (VLC) – Truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy

sử dụng phần ánh sáng nhìn thấy được để truyền thông tin, để so sánh thì VLC gầngiống công nghệ truyền thông không dây (ví dụ như Wi-Fi) sử dụng các tín hiệu sóngđiện từ (Radio Frequency – RF) để truyền dữ liệu

Ánh sáng nhìn thấy được (Visible Light) là dạng sóng với các bước sóng nằmtrong khoảng mắt người có thể nhận biết được Các bước sóng này nằm trong khoảng

từ 380nm đến 750nm Hình 1.1 dưới đây cho ta thấy các bước sóng ánh sáng được gắnvới tông màu mà mắt thường có thể nhìn thấy

Hình 1.1 Quang phổ ánh sáng nhìn thấy

Với VLC, dữ liệu được truyền đi bằng cách điều chế cường độ của ánh sángnhưng không để cho mắt người bình thường nhận biết được sự thay đổi này Ánh sáng

mang theo dữ liệu khi đến phía thu sẽ được nhận bởi Photo-sensitive Detector (PD)hoặc chip cảm biến hình ảnh (CMOS) giải điều chế chuyển đổi từ tín hiệu quang thànhtín hiệu điện.

VLC chính là một nhánh trong công nghệ truyền thông không dây quang(Optical Wireless Communications – OWC) OWC sử dụng cả tia hồng ngoại (infra-red) và tia cực tím (ultra-violet) để truyền thông tin tương tự như ánh sáng nhìn thấy.Tuy nhiên, chính việc sử dụng năng lượng vừa dùng để chiếu sáng vừa để truyền thôngtin đã khiến cho công nghệ VLC trở nên ưu tú hơn cả

3 Lịch sử phát triển của Visible Light Communication

Ý tưởng sử dụng ánh sáng nhìn thấy để truyền tải thông tin thực ra không hềmới mẻ Từ hàng nghìn năm trước, cách dùng khói để truyền tải thông tin đã được sửdụng bởi rất nhiều nền văn minh khác nhau (ví dụ như người Mỹ bản địa và ngườiRoman)

Hình 1.2 Người Mỹ bản địa sử dụng tín hiệu khói

Tiếp theo là hệ thống những ngọn hải đăng đã được xây dựng ở bến cảng vớinhiệm vụ làm hoa tiêu giúp cho các con tàu có thể định hướng khi đang ở trong vùngbiển nguy hiểm bằng cách gửi những chùm sáng nhấp nháy theo chu kỳ Ngọn hảiđăng đầu tiên mang tên Alexandria được xây dựng vào khoảng năm 280 đến 247 trước

Công Nguyên dưới thời vua Ptolemy II với mục đích hướng dẫn tàu bè vào cảngAlexandria an toàn, sau này được xếp vào một trong số bảy kỳ quan thế giới cổ đại.

Hình 1.3 Hải đăng Alexandria

Nỗ lực đầu tiên trong việc sử dụng ánh sáng nhìn thấy để truyền thông tin saunày thuộc về nhà khoa học Scotland Alexander Graham Bell, người đã phát minh rathiết bị “Photophone” vào ngày 19 tháng 2 năm 1880 tại phòng thí nghiệm ởWashington, DC cùng với cộng sự của ông Charles Tainer Thiết bị này cho phéptruyền thông tin nhờ vào ánh sáng mặt trời Nguyên lý của hoạt động của chiếc điệnthoại này được mô tả như hình 1.4 và 1.5 dưới đây:

Hình 1.4 Phía phát của photophone

 Phía thu:

Vấn đề ở phía thu là làm thế nào để có thể thu được thông tin nhờ vào sự thayđổi cường độ của ánh sáng truyền tới và điều này được giải quyết nhờ một vật liệu cótên Selenium (là loại chất liệu bán dẫn có điện trở khoảng 100 Ω đến 300 Ω và điệntrở này sẽ giảm theo cường độ ánh sáng chiếu vào nó)

Phía thu gồm nguồn điện nối với một Pin Selenium đặt ở tâm của một gươngparabol Ánh sáng sẽ được tập trung vào chiếc pin này và cường độ sáng thay đổi sẽkhiến cho điện trở của pin thay đổi tạo ra dòng điện thay đổi làm rung màng rung củaống nghe và phát ra âm thanh đến tai của người nghe Với thiết bị này, âm thanh có thểtruyền đi khoảng 200m với ánh sáng mặt trời và ngắn hơn với ánh sáng từ bóng đèn

Hình 1.5 Phía thu

Hiện nay, việc phát minh và sử dụng bóng đèn LED (Light Emitting Diode) đểchiếu sáng đã mang lại cơ hội để kết hợp với công nghệ VLC trong đó sử dụng LEDlàm nguồn phát Khi chúng ta đưa dòng điện không đổi vào bóng đèn LED, nó sẽ phát

ra các dòng photon ánh sáng mà chúng ta có thể quan sát được (ánh sáng nhìn thấy).Nếu chúng ta thay đổi dòng điện, cường độ sáng của bóng đèn tương tự cũng thay đổitheo và sự thay đổi này diễn ra ở tốc độ rất cao mà mắt thường không nhận biết được

Từ đó, thông tin có thể được điều chế vào trong ánh sáng của bóng đèn và truyền điđến máy thu

Hình 1.6 Truyền thông VLC sử dụng bóng đèn LED

Sử dụng kỹ thuật này chúng ta có thể có được tốc độ truyền dữ liệu rất lớntrong khi vẫn giữ được công dụng chiếu sáng của bóng đèn Công nghệ sử dụng ánhsáng để truyền thông tin còn được gọi với cái tên “Li-Fi” (Light Fidelity)

Tuy nhiên, công nghệ VLC hay Li-Fi không hẳn sinh ra để trở thành địch thủvới Wi-Fi mặc dù VLC được mong đợi như là một giải pháp giải quyết vấn đề quá tảitrong các mạng Wi-Fi hiện nay, nhưng trong tương lai, công nghệ này có thể sẽ khôngcung cấp nhiều băng thông cho đường lên (uplink) và do đó mạng Wi-Fi hiện tại sẽ bổsung cho vấn đề này

Chu trình phát triển của công nghệ VLC được thống kê trong bảng 1.1

Thời gian Sự kiện

2004 Công bố hệ thống LED truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao đến thiết bị di

động cầm tay tại Nhật Bản

2005

Thử nghiệm thực tế hệ thống truyền dẫn VLC tới điện thoại di động với tốc độ 10kb/s và ~Mb/s sử dụng đèn huỳnh quang và LED tại NhậtBản

2007 Thực hiện truyền dẫn VLC từ màn hình LCD sử dụng đèn nền LED tớithiết bị cầm tay, hãng tivi Fuji, Nhật Bản.

2007

Hiệp hội VLC (VLCC) tại Nhật Bản đưa ra hai chuẩn: Tiêu chuẩn cho

hệ thống định danh sử dụng ánh sáng và tiêu chuẩn cho hệ thống VLC.Hiệp hội công nghệ thông tin và điện tử Nhật Bản – JEITA đã chấp nhận các tiêu chuẩn này thông qua hai văn bản JEITA CP-1221 và JEITA CP-1222

2008 Phát triển các tiêu chuẩn toàn cầu cho mạng gia đình sử dụng ánh sáng và hồng ngoại để truyền dẫn thông qua dự án OMEGA của EU

Thực hiện truyền dẫn sử dụng 5 đèn LED với tốc độ ~100Mb/s

2009 VLCC đã ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật đầu tiên của họ trong đó xác định phổ tần sử dụng trong VLC.

2010 Phát triển công nghệ VLC cho các thiết bị điện tử như TV, PC, điện thoại di động ở đại học California, USA.

2010 Công bố hệ thống định vị toàn cầu GPS với môi trường trong nhà tại Nhật Bản.

2010 Truyền dẫn với hệ thống VLC đạt tốc độ 500 Mb/s với khoảng cách 5m, thực hiện bởi Siemen và Viện Heinrich Hertz, Đức.

2010 Phát triển tiêu chuẩn cho các công nghệ sử dụng VLC bởi IEEE

2011 Trình diễn hệ thống truyền dẫn VLC-OFDM với tốc độ 124Mb/s, sử dụng LED trắng phủ phosphor, đại học Edinburgh, Anh.

Bảng 1.1 Chu trình phát triển của công nghệ VLC

Công nghệ VLC rất phù hợp cho các ứng dụng cung cấp nội dung phổ biến trêninternet như các ứng dụng download video, audio hay duyệt web Các ứng dụng nàyphần lớn phụ thuộc nhiều vào băng thông của đường xuống (downlink) nhưng lại chỉyêu cầu băng thông đường lên nhỏ Theo cách này, chúng ta có thể giải quyết vấn đềquá tải trong việc sử dụng các kênh vô tuyến và mở rộng dung lượng của Wi-Fi

4 Các ưu điểm của công nghệ Visible Light Communication

Như chúng ta đã biết, phổ tần của sóng vô tuyến (Radio Frequency – RF) đangngày càng cạn kiệt và cơ hội mở rộng rất hạn chế Thêm vào đó, có rất nhiều yếu tố về

an toàn và sức khỏe cần phải xem xét khi sử dụng sóng vô tuyến Do đó, công nghệVLC có rất nhiều ưu điểm vượt trội so với công nghệ sử dụng sóng vô tuyến RF

4.1 Dung lượng

Hình 1.7 Dải tần của sóng ánh sáng nhìn thấy

 Băng thông lớn – Phổ tần của sóng ánh sáng nhìn thấy ước tính lớn gấp 10,000lần so với phổ sóng vô tuyến và hoàn toàn miễn phí khi sử dụng

 Mật độ dữ liệu – Công nghệ VLC có thể đạt được mật độ dữ liệu gấp 1000 lần

so với Wi-Fi bởi vì ánh sáng nhìn thấy không xuyên qua vật cản nên chỉ tậptrung trong một không gian trong khi sóng vô tuyến có xu hướng thoát ra vàgây xuyên nhiễu

 Tốc độ cao – Công nghệ VLC có thể đạt được tốc độ cao nhờ vào nhiễu thấp,băng thông lớn và cường độ chiếu sáng lớn ở đầu ra

 Quản lý – Việc quản lý trở nên khá dễ dàng do không gian chiếu sáng chọn lựa

để truyền thông và tín hiệu ánh sáng có thể quan sát được trong khi sóng vôtuyến không thể quan sát khiến cho việc quản lý trở nên phức tạp hơn nhiều

 Truyền thông dưới nước – Việc truyền thông dưới nước với sóng vô tuyến rấtkhó khăn nhưng VLC có thể hoạt động tốt ở môi trường này

4.4 Bảo mật

 Ngăn chặn – Đối với môi trường trong nhà (indoor), sẽ rất khó để có thể thuthập hay do thám các tín hiệu VLC do sóng ánh sáng không xuyên qua vật cản

và chỉ tập trung trong khu vực cần thiết

 Điều khiển – Dữ liệu sẽ được chuyển trực tiếp từ một thiết bị sang thiết bị khác

và người sử dụng hoàn toàn có thể nhìn thấy và biết được dữ liệu của mìnhđang được chuyển đi đâu, do vậy không cần thiết phải có các phương án bảomật liên kết nào khác như khi truyền thông với sóng điện từ

5 Các thành phần trong hệ thống Visible Light Communication

Một hệ thống VLC bao gồm ba thành phần chính: hệ thống phát, kênh truyền,

hệ thống thu Thiết bị sử dụng đầu cuối để truyền thông phải được tích hợp cả hai phần

tử thu phát.Về phía hệ thống phát, chúng ta sẽ sử dụng các bóng đèn LED để truyền tảithông tin với tốc độ lên tới hàng trăm Mb/s Để đạt được tốc độ hàng Gb/s, có thể sửdụng Laser Diode (LD), tuy nhiên đồ án này chỉ tập trung vào LED Có rất nhiều dạngLED được sử dụng để tạo ra ánh sáng trắng bao gồm LED đơn màu phủ phosphor(Phosphor based-LED) hoặc LED RGB (Red-Green-Blue) Với loại LED RGB, mỗimột màu có thể sử dụng để truyền dữ liệu riêng biệt trong khi LED đơn màu chỉ có thể

sử dụng các kỹ thuật điều chế dựa theo cường độ chiếu sáng Với mục đích sử dụng cảcho chiếu sáng, LED đơn màu được ưu tiên chọn lựa bởi giá thành rẻ và hiệu năng sửdụng cao

Như đã biết, chúng ta sẽ sử dụng các bóng đèn LED để phát thông tin nên cần phải

có các cách khác nhau để kết nối các bóng đèn này vào các mạng dữ liệu hiện tại Cóhai cách điển hình đó là:

 Sử dụng kết hợp với công nghệ truyền thông bằng đường điện (Power-lineCommunications – PLC) Công nghệ này cho phép truyền thông tin qua mạngđiện có sẵn Bằng cách kết hợp này, chúng ta sẽ có thể tận dụng đường cáp điệnsẵn có để cấp nguồn và truyền tải thông tin thông qua bóng đèn (Công nghệnày đã được đưa ra từ lâu và hiện nay đang ngày càng được ứng dụng một cáchrộng rãi)

Hình 1.8 Truyền thông bằng công nghệ PLC

 Truyền thông qua Ethernet (Power over Ethernet – PoE) Việc cấp nguồn vàtruyền thông tin qua các bóng LED sẽ được thực hiện thông qua một cáp nốiEthernet

Tuy nhiên mặc dù công suất cung cấp giới hạn chỉ vào khoảng 50W đốivới cáp Cat5 nhưng công suất này vẫn hoàn toàn đủ đáp ứng đối với các bóngLED hiện nay Cả hai phương pháp trên nổi bật hơn cả bởi nhờ vậy chúng takhông cần chia phần cấp nguồn cho LED và kết nối dữ liệu thành hai mảngriêng biệt

Hình 1.9 Cấp nguồn và kết nối LED thông qua cáp Ethernet

Công nghệ truyền thông bằng đường điện có ưu điểm là không yêu cầu thêmbất cứ một kết nối nào vào mạng đèn chiếu sáng có sẵn mà vẫn có thể kết nối vàtruyền dữ liệu Đối với nhu cầu lắp đặt mới, đặc biệt trong các môi trường thương mại,công nghệ sử dụng cáp Ethernet (PoE) sẽ rất hiệu quả

Đối với phía thu, do hiện nay các thiết bị điện tử như máy tính để bàn (PC),máy tính xách tay (Laptop), điện thoại di động, máy nghe nhạc càng ngày càng trở nênnhỏ gọn và tích hợp được nhiều chức năng nên hoàn toàn có thể tận dụng camera gắnngoài của các thiết bị này cũng như tích hợp thêm diode tách quang (Photodetector,phần tử này sẽ chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện) để biến chúng thành một hệthống thu riêng biệt

Để có thể đưa thông tin vào ánh sáng chúng ta cần phải có các kỹ thuật điềuchế Có rất nhiều kỹ thuật như điều chế khóa bật tắt (On-Off Keying – OOK), điều chế

độ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM), điều chế vị trí xung (Pulse PositionModulation – PPM), điều chế biên độ xung (Pulse Amplitude Modulation – PAM),ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing – OFDM) hay điều chế khóa dịch màu (Color-Shift Keying – CSK) vàmột số các phương pháp điều chế khác

6 Kết luận chương

Trên đây là tất cả những thông tin cơ bản về công nghệ truyền thông bằng ánhsáng nhìn thấy – Visible Light Communication, như chúng ta đã thấy, công nghệ này

có rất nhiều ưu điểm so với công nghệ truyền thông sử dụng sóng vô tuyến hiện tại.Chương tiếp theo sẽ trình bày cụ thể và chi tiết về các thành phần cấu thành nên hệthống VLC

CHƯƠNG II – NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG

BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY

2.1 Giới thiệu chương

Trong chương trước, chúng ta đã có một cái nhìn tổng quan về côngnghệ truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communication).Trong chương này sẽ trình bày một cách chi tiết về từng thành phần cụ thểtrong hệ thống VLC Bao gồm ba phần chính: thành phần phát, thành phần thu,

mô hình kênh và các phương pháp điều chế

(Lux, (kí hiệu là lx) là một đơn vị đo cường độ chiếu sáng có thể cảm nhận bởi mắt người thông qua một đơn vị diện tích.)

Nguyên lý hoạt động cơ bản của LED như sau:

Khi phân cực thuận cho LED sẽ có dòng bơm qua LED làm cho các điện

tử đang ở vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn Đây là hiện tượng đảo mật độ do ởđiều kiện bình thường, nồng độ điện tử ở vùng hóa trị sẽ rất lớn so với nồng độđiện tử ở vùng dẫn nhưng khi được kích thích, các điện tử nhảy mức nănglượng làm cho nồng độ điện tử ở vùng dẫn lớn hơn so với nồng độ điện tử ởvùng hóa trị Đồng thời, dưới tác dụng của điện trường phân cực thuận, các điện

tử từ lớp N sẽ được khuếch tán sang lớp tích cực và các lỗ trống ở lớp P cũngđược khuếch tán sang lớp tích cực Tại đây, các cặp điện tử và lỗ trống sẽ táihợp (re-combine) và phát xạ ra photon ánh sáng Hiện tượng phát xạ ở đây chủyếu là hiện tượng phát xạ tự phát Hiện tượng này được mô tả như hình 2.2 dướiđây:

Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của LED

Với mục đích kết hợp để chiếu sáng, loại LED được sử dụng trong VLC sẽ làLED đơn sắc (một trong ba màu RGB) và LED phát ánh sáng trắng (White LED) Cóhai cách thông dụng để tạo ra ánh sáng trắng tương ứng với hai loại LED khác nhau:

Bán dẫn loại

n Bán dẫn loại p

loại thứ nhất sử dụng một chip bán dẫn xanh (blue) và sau đó được phủ thêm một lớpphosphor bên ngoài hay còn được gọi tên là “LED màu trắng đơn chip” Khi dòng điệnđược cung cấp cho chip LED màu xanh, chip này sẽ phát ra ánh sáng xanh, phosphorsau đó được kích thích bởi màu xanh và sẽ phát ra huỳnh quang màu vàng Sự kết hợphai loại màu này sẽ tạo ra ánh sáng trắng Loại thứ hai là LED cấu tạo với ba chip màuriêng biệt R (~625nm), G (~525nm), B (~470nm), (Red Green Blue) Sau đó ba màunày sẽ được trộn lại với nhau để tạo ra ánh sáng trắng.

Hình 2.3 Hai loại LED phát ánh sáng trắng

Hình 2.4 Phổ phát xạ của (a) LED đơn chip và (b) LED RGB

LED đơn chip phủ phosphor sẽ có giá thành rẻ hơn, mạch điều khiển ít phức tạphơn tuy nhiên băng thông lại bị hạn chế, thêm nữa, lớp phosphor chỉ phát xạ ánh sángsau khi chip màu xanh phát xạ, do vậy tốc độ đáp ứng của LED đơn chip sẽ thấp hơn

so với LED RGB Như chúng ta thấy trong hình 2.4 (a), LED đơn chip sẽ có băng

Phát xạ từ LED (màu xanh)

Huỳnh quang(màu vàng)

BlueGreenRed

(a).LED màu trắng sử dụng 1 chip (b).LED màu trắng sử dụng 3 chip (RGB)

Lớp phosphor

RedBlue

Cường độ tương đối (a.u)

Phổ phát xạ của lớp phosphorPhổ phát xạ của chip xanh

Cường độ tương đối (a.u)

Green

Bước sóng (nm)Bước sóng (nm)

thông hạn chế do ảnh hưởng của lớp phosphor, do vậy ta có thể khắc phục nhược điểmnày bằng cách sử dụng một bộ lọc (blue filter) ở phía thu trước khi ánh sáng được đưađến photodiode Còn ở hình (b), LED RGB có thể cung cấp ba kênh truyền dẫn riêngbiệt, mỗi kênh ứng với một chip LED, thích hợp cho WDM, nhưng một vấn đề cầnchú ý đó là cần phải đảm bảo sự cân bằng màu sắc của ánh sáng không bị thay đổi khitruyền dẫn thông tin với VLC.

Do LED được sử dụng vừa chiếu sáng vừa truyền thông nên ta cần phải xácđịnh hai đại lượng đó là cường độ chiếu sáng và công suất quang truyền đi Cường độchiếu sáng được dùng để thể hiện độ sáng của một bóng đèn LED còn công suất quangtruyền dẫn chỉ ra tổng năng lượng phát xạ từ LED

Cường độ chiếu sáng được tính bằng quang thông qua mỗi góc khối theo (2.1):

Với Λ min và Λ max được xác định dựa vào đường cong độ nhạy của diode tách quang

(lumen (ký hiệu là lm) là đơn vị SI dùng để đo tổng lượng quang thông bức xạ từ nguồn sáng phát ra Tuy nhiên quang thông khác với công suất, quang thông phản ánh sự thay đổi độ nhạy ở mắt người đối với các bước sóng khác nhau trong khi đó

công suất quang cho ta thấy toàn bộ năng lượng của ánh sáng được bức xạ ra dù cho mắt có cảm nhận được hay không)

2.3 Các phương pháp điều chế và điều chỉnh độ sáng trong VLC

Như chúng ta đã biết, truyền thông bằng ánh sáng dựa trên phương phápđiều chỉnh cường độ của ánh sáng Bất kỳ sự thay đổi nào khi ta điều chế ánhsáng để thông tin đều có thể gây ảnh hưởng không tốt (đôi khi là nguy hiểm)với mắt người Để tránh điều này, sự thay đổi cường độ ánh sáng phải nằmtrong khoảng thời thay đổi tối đa cho phép (Maximum Flickering Time Period –MFTP)

MFTP được định nghĩa là thời gian tối đa mà cường độ ánh sáng có thểthay đổi mà mắt người không thể cảm nhận được Tần số thay đổi lớn hơn200Hz (ứng với MFTP < 5ms) được coi là an toàn với mắt người, chính vì vậycác phương pháp điều chế sử dụng trong VLC sẽ phải chú ý đến giá trị MFTPnày

Một vấn đề khác nữa, để tiết kiệm và sử dụng năng lượng hiệu quả,chúng ta phải sử dụng thêm một phương pháp điều chỉnh ánh sáng hỗ trợ trongquá trình điều chế (Dimming Method - DS) Tức là cho phép người dùng có thểtăng giảm độ sáng đến một giới hạn nào đó trong khi quá trình truyền dẫn dữliệu vẫn diễn ra

Mắt người thích ứng với sự giảm mức độ sáng bằng cách mở rộng conngươi, cho phép nhiều ánh sáng đi vào mắt hơn Sự thích ứng của mắt người sẽgây ra sự khác biệt giữa mức độ ánh sáng đo được (Measuared Levels of Light– MLL) và mức độ ánh sáng nhận biết được (Perceived Levels of Light – PLL).Mối quan hệ giữa hai đại lượng này được cho bởi biểu thức (2.4) dưới đây:

PLL(%)=100 ×√MLL(%)100

( 2 4 )

Từ hình 2.5 ta thấy, ánh sáng đèn giảm ở mức 10% của MLL tương ứngvới mức 32% của PLL, và do vậy, cần phải có một dải các mức độ điều chỉnhánh sáng đủ lớn, trong khoảng từ 0.1 – 100%.

Hình 2.5 Mối quan hệ giữa PLL và MLL

2.3.1 Phương pháp điều chế khóa bật tắt On-Off Keying (OOK)

Phương pháp điều chế khóa bật tắt OOK là một phương pháp điều chếrất phổ biến trong các hệ thống truyền dẫn không dây sử dụng tia hồng ngoại.Phương pháp này đôi khi còn được gọi là mã hóa non-return-to-zero (NRZ)

Điều chế khóa tắt bật là một phương pháp điều chế hai mức bao gồm hai

ký hiệu tương ứng với mức công suất 2P hoặc 0 Tín hiệu có thể được biểu diễnbằng hàm cơ sở ϕOOKOOK (t) với biểu thức (2.5) dưới đây:

ϕOOKOOK (t)= 1

)

Trong đó:

T là chu kỳ kí hiệu và rect(t) được tính như (2.6) :

rect (t )={1 với 0 ≤ t ≤1 0 với t ≠

(2.6)

Sử dụng hàm cơ sở này, ta có biểu thức cường độ sáng theo miền thờigian được gửi qua kênh truyền theo biểu thức (2.7):

Với A[k]ϵ{0,1} và được chọn thống nhất, biên độ trung bình của x (t )

được đặt tại P do phân bố của các ký tự Không gian tín hiệu của OOK bao gồmhai điểm và được mô tả như trong hình 2.6 Xác suất lỗi bit được xác định bằngbiểu thức (2.8):

Phương pháp điều chế này có nhược điểm đó là gây ra hiện tượng nhấpnháy do nguyên tắc điều chế tắt bật nguồn sáng theo các bit 0, 1 Để khắc phụchiện tượng này, tín hiệu sẽ được mã hóa với mã Manchester trước khi đưa vàođiều chế, bit 0 sẽ được ký hiệu bằng “01” và bit 1 sẽ được ký hiệu bằng “10”.

Do đó sẽ tạo ra được một bộ mã cân bằng số lượng bit 0 và 1, tránh được hiệntượng nhấp nháy

Việc điều chỉnh độ sáng trong OOK có thể thực hiện theo hai cách, hoặcchúng ta thay đổi lại mức độ “bật”, “tắt” đối với các ký tự (có nghĩa không cầnthiết phải tắt hẳn hoàn nguồn sáng, mà chỉ cần đủ nhỏ để có thể phân định rõràng giữa hai mức này) hoặc các mức này vẫn giữ nguyên và thay đổi thời gianmức cao (duty-cycle) (tức thời gian tín hiệu ở mức cao/chu kỳ) bằng cách chènthêm các ký hiệu dư thừa (Compensation Symbols – CS) vào để điều chỉnh tănggiảm độ sáng Ví dụ nếu độ sáng của dữ liệu là A% với chu kỳ T1 và các kýhiệu dư thừa có độ sáng B% với chu kỳ T2, độ sáng trung bình N(%) sẽ đượctính theo công thức (2.9):

N= A T1+B T2

T1+T2

(2.9)

Hai phương pháp trên đều có những ưu khuyết điểm riêng, đối vớiphương pháp thứ nhất, đặt lại hai mức tắt bật sẽ giữ nguyên tốc độ bit khôngđổi nhưng sẽ làm thay đổi hai mức độ, có thể gây ra hiện tượng thay đổi màusắc do phải tác động đến quá trình điều khiển LED Đối với cách còn lại, haimức độ không đổi nhưng sẽ làm chậm tốc độ bit do đã chèn thêm bit dư thừavào

Hình 2.7 cho thấy ví dụ sử dụng các ký hiệu dư thừa để làm tăng độsáng, do sử dụng mã Manchester để mã hóa nên thời gian mức cao luôn đạt 1/2(tỉ lệ bit 0 và 1 như nhau), nói cách khác mức độ sáng là 50%, ta sẽ chèn thêmcác ký hiệu dư thừa vào để tăng thời gian mức cao (tăng bit 1) khiến cho mứcsáng trung bình (Average Brightness – AB) cao hơn 50%

Hình 2.7 Tăng độ sáng bằng cách chèn thêm ký hiệu thừa CS

2.3.2 Phương pháp điều chế vị trí xung biến đổi (Variable Pulse Position

Modulation – VPPM)

Phương pháp điều chế vị trí xung biến đổi là phương pháp điều chế mớihơn, là sự kết hợp của hai phương thức điều chế: điều chế vị trí xung (2 PulsePosition Modulation – 2PPM) và điều chế độ rộng xung (Pulse WidthModulation – PWM)

Trong phương pháp điều chế PPM, mỗi chu kỳ ký hiệu sẽ được chiathành M chu kỳ con Thông tin sẽ được gửi bằng cách truyền một cường độquang khác không trong một chu kỳ con, trong khi các chu kỳ con còn lại vẫngiữ nguyên Mỗi chu kỳ con sẽ không trùng lặp về thời gian, do đó mỗi ký hiệu

là trực giao với nhau Ví dụ ta có không gian tín hiệu M = N, M-PPM ký hiệu

có thể được xem như một khối mã OOK với chu kỳ là MT trong đó cường độ rabằng không ngoại trừ trong chu kỳ T Hàm cơ sở của M-PPM có dạng (2.10):

ϕOOK m (t )=√M T rect(t−(M T )(m−1)

T

(2.10)

Trong đó: m ϵ M và T là chu kỳ con

Không gian tín hiệu của M-PPM là không gian Euclid M chiều với mộtđiểm tín hiệu trên mỗi trục M

Trong đó A[k] sẽ chọn ký hiệu xuất hiện trong M Các xung sẽ không âmtrong toàn bộ thời gian do cấu tạo của chúng

Công suất quang trung bình của mỗi ký hiệu không đổi bằng P với côngsuất đỉnh của mỗi ký hiệu là MP Bởi các điểm trong không gian tín hiệu trựcgiao và cách đều với nhau nên xác suất lỗi ký hiệu được tính theo (2.12):

P e(ký hiệu) ≈ ( M−1) Q(P√2 R M s σ2)

(2.12)

Trong đó: R s=1/T là tốc độ ký hiệu Do các điểm trong không gian tín hiệu trựcgiao với nhau, xác suất lỗi ký hiệu có thể chuyển thành xác suất lỗi bit bằng

cách lũy thừa với M2 /(M −1) Như vậy, xác suất lỗi bit được tính theo (2.13):

P e ≈ M

2 Q(P√M log2M

2 R σ2 )

(2.13)

Với tốc độ bit R=R slog2M

Hình 2.9 Mô hình VPPM cấu tạo từ 2-PPM với độ sáng 50% (a) và PWM để điều chỉnh

độ sáng (b)

Hình 2.10 Dạng sóng của tín hiệu VPPM với độ rộng xung 75%

Trong VPPM sử dụng PPM với M = 2 với mục đích tránh hiện tượngnhấp nháy và PWM để điều chỉnh độ sáng và có thể cung cấp độ sáng tối đa

Từ biến đổi (Variable) trong VPPM có nghĩa là sự thay đổi thời gian mức cao

(độ rộng xung) tùy theo mức độ sáng cần thiết Bit 1 và 0 trong VPPM được thểhiện bằng vị trí xung và có độ rộng xung giống nhau Do trong VPPM, độ sángtrung bình giữa bit 1 và 0 là không đổi nên tránh được hiện tượng nhấp nháy

Trong hình 2.9b, độ rộng xung có thể được điều chỉnh để cung cấp độsáng theo yêu cầu Hình 2.10 mô tả ví dụ dạng sóng của VPPM có thể đạt được75% độ sáng với bit 0 và 1 có độ rộng xung là 75%

2.3.3 Phương pháp điều chế Khóa dịch màu (Color-Shift Keying)

Như ta đã biết, ánh sáng trắng từ LED có thể tạo ra theo hai cách, cáchthứ nhất sử dụng LED đơn chip xanh phủ phosphor Tuy nhiên, lớp phosphornày sẽ làm chậm quá trình đáp ứng của LED Phương pháp khắc phục nhượcđiểm này đó là sử dụng LED RGB và đối với loại LED này, chúng ta sẽ dùngphương pháp điều chế khóa dịch màu CSK Phương pháp điều chế CSK có thểxem gần như tương đồng với phương pháp điều chế khóa dịch tần (Frequency-Shift Keying – FSK) ở chỗ các đoạn bit được mã hóa với màu sắc (bước sóng)

Ví dụ như đối với điều chế 4-CSK (hai bit cho một ký hiệu), một trong bốnbước sóng thích hợp (màu sắc) sẽ được sử dụng cho một cặp bit Trong phươngpháp điều chế CSK sử dụng không gian màu CIE 1931 do Ủy bạn quốc tế vềchiếu sáng công bố để ánh xạ dữ liệu đầu vào thành cặp giá trị tọa độ màu (xp,

yp)

Giá trị tọa độ xy được xác định trong CIE 1931 thông qua ba đại lượng

X, Y và Z Trong đó các giá trị X, Y, Z được bắt nguồn từ các thông số của baloại tế bào hình nón trong mắt người (có chức năng cảm nhận màu sắc trong bakhoảng bước sóng, ngắn, trung bình và dài) mô tả ba tính chất của màu sắc:

 Sắc độ (Sáng hay tối)

 Tông màu

 Độ bão hòa màuMột quang phổ đơn sắc C với bước sóng λ được biểu diễn với ba giá trịnày như biểu thức (2.14):

C=´x ( λ) X + ´y ( λ) Y +´z( λ ) Z (

2.1

Với ´x ( λ) , ´y ( λ ), ´z ( λ) là các hàm gán màu và có giá trị không âm

Hình 2.11 Hàm gán màu XYZ

Hình 2.11 mô tả đường cong phổ của ba hàm gán màu (bắt nguồn từ baloại tế bào cảm nhận màu sắc hình nón) với bước sóng từ 380nm đến 700nm.Trục tung là góc quan sát tiêu chuẩn (do các tế bào hình nón nhạy cảm nằmtrong một vòng cung 20 của hố mắt) Với P ( λ)là phân bố phổ màu, ta tính đượccác giá trị X, Y, Z theo (2.15):

380

780

P (λ)´z ( λ) dλ

Giá trị của k được chọn sao cho Y = 1 hoặc Y = 100

Từ đó, các giá trị x, y được tính như biểu thức (2.16):

x= X

X +Y + Z

(2.16)

y= Y

X +Y +Z

Hai giá trị x, y mô tả tông màu, độ bão hòa của màu và độc lập với sắc độ của màu

Trong phương pháp điều chế CSK, chuẩn IEEE 802.15.7 đã chia phổ tầnthành 7 dải màu (với bước sóng trung tâm) để hỗ trợ cho việc lựa chọn LEDnhiều màu dùng cho truyền dẫn