Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy kết hợp với bộ lọc Kalman mở rộng

Ngày nay, sự xuất hiện của các robot di động đã trở nên rất phổ biến trong xã hội. Các robot di động có mặt trong các thiết bị gia đình như máy hút bụi hay các hệ thống trợ giúp trong gia đình. Chúng ta cũng có thể dễ dàng nhìn thấy chúng ở các nơi công cộng như các robot hướng dẫn viên trong viện bảo tàng, phòng trưng bày; hay trong các lĩnh vực công nghiệp và quân sự như robot do thám hay robot vận chuyển hàng hóa trong các nhà máy, v.v. Đối với những robot đòi hỏi khả năng làm việc độc lập, thì định vị là yêu cầu đầu tiên và quan trọng nhất. Hiện nay, có một số công nghệ định vị phổ biến như định vị GPS hoặc sử dụng các cảm biến như cảm biến siêu âm, hồng ngoại, v.v. Tuy nhiên, định vị GPS chỉ phù hợp với môi trường ngoài trời với sai số lên đến hàng mét, còn các cảm biến có độ sai số lớn và thường hoạt động trong các không gian làm việc có diện tích nhỏ. Do đó, định vị cho robot trong môi trường trong nhà trong những năm gần đây đã trở thành vấn đề nhận được nhiều sự quan tâm trong các nghiên cứu về robot. Chính vì vậy, em đã lựa chọn đề tài luận văn của mình là “Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy kết hợp với bộ lọc Kalman mở rộng”.

HỮU NGHỊ VIỆT - HÀN

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀIĐỊNH VỊ ROBOT SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY KẾT HỢP VỚI BỘ

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Điểm: ……….……… (Bằng chữ: … ……….)

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2016

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Nguyễn Thị Huyền Trang

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Điểm: ……….……… (Bằng chữ: … ……….)

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2016

GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 1

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 3

MỤC LỤC 4

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

DANH MỤC BẢNG BIỂU 10

LỜI NÓI ĐẦU 11

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VLC – TRUYỀN THÔNG SỬ DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY 13

1.1 Đèn LED trắng 13

1.1.1 Một vài nét sơ lược 13

1.1.2 Các đặc trưng 15

1.1.2.1 Cường độ chiếu sáng 15

1.1.2.2 Công suất quang truyền 15

1.1.3 Ưu nhược điểm 16

1.1.3.1 Ưu điểm 16

1.1.3.2 Nhược điểm 17

1.2 Mô tả hệ thống VLC 17

1.2.1 Mô hình hệ thống 17

1.2.2 Cấu hình đường truyền 21

1.2.3 Kênh IM-DD 22

1.2.4 Công suất quang nhận 23

1.3 Ứng dụng và một số sản phẩm thực tế 24

1.3.1 Truyền thông di động 24

1.3.1.1 Truyền thông di động thế hệ sau 4G 24

1.3.1.2 Truyền thông trong các môi trường đặc biệt 25

1.3.2 Truyền hình 25

1.3.3 Nhà thông minh 26

1.3.4 Hệ thống giao thông thông minh 26

1.3.5 Định vị và dẫn đường 27

1.4 Tóm tắt chương một 27

CHƯƠNG II – CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ VLC TRONG MÔI TRƯỜNG TRONG NHÀ 28

2.1 Phương pháp định vị dựa trên thời gian sóng ánh sáng tới (TOA) 29

2.2 Phương pháp định vị dựa trên độ chênh lệch thời gian của các sóng ánh sáng tới (TDOA) 31

2.3 Phương pháp định vị dựa trên cường độ tín hiệu nhận được (RSS) 33

2.5 Phương pháp định vị kết hợp AOA-RSS 37

2.5.1 Mô hình hệ thống 37

2.5.2 Nhiễu hệ thống 38

2.5.3 Cơ chế hoạt động 39

2.5.3.1 Bước 1 – Xác định hướng của robot 39

2.5.3.2 Bước 2 – Xác định tọa độ của robot 40

2.6 Tóm tắt chương hai 40

CHƯƠNG III – ÁP DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG TRONG ĐỊNH VỊ ROBOT 41

3.1 Mô hình hệ thống: Cấu hình động học 42

3.1.1 Cập nhật vị trí 42

3.1.2 Sai số hệ thống 44

3.2 Mô hình phép đo 46

3.3 Bộ lọc Kalman mở rộng 46

3.3.1 Ước đoán vị trí 47

3.3.2 Hiệu chỉnh vị trí 49

3.4 Điều khiển robot bám quỹ đạo di chuyển 50

3.5 Tóm tắt chương 3 52

KẾT LUẬN 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

4G Fourth Generation Mạng di động thế hệ thứ tư

5G Fifth Generation Mạng di động thế hệ thứ nămAOA Angle of Arrival Góc của tia sáng tới

CRLB Cramér-Rao Lower Bound Chặn dưới Cramér-Rao

DD Direct Detection Tách sóng trực tiếp

DMT Discrete Multi-Tone modulation Điều chế đa tần rời rạc

EKF Extended Kalman Filter Bộ lọc Kalman mở rộng

FET Field Effect Transistor Transitor hiệu ứng trường

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

IEEE Institute of Electricaland

Electronics Engineers Viện kỹ thuật điện và điện tử

IM Intensity Modulation Điều chế cường độ

LED Light Emitting Diode Đi-ốt phát quang

MIMO Multi Input – Multi Output Kỹ thuật sử dụng nhiều đầu vào

và đầu raNLOS Non Light of Sight Phương truyền gián tiếp

PPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung

RFB Radio Frequency Band Dải sóng vô tuyến

RFID Radio Frequency Identification Nhận dạng dựa vào tần số sóng

vô tuyếnRSS Received Signal Strength Cường độ tín hiệu nhận

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

TDO

A Time Difference of Arrival

Độ chênh lệch về thời gian của các tia sáng tới

TOA Time of Arrival Thời gian của tia sáng tới

UV-

LED

Ultra Violet – Light Emitting

VLC Visible Light Communications Công nghệ truyền thông sử dụng

ánh sáng nhìn thấyWDM Wavelength Division

Multiplexing Ghép kênh quang theo bước sóngYAG Yttrium Aluminum Garnet Granat ytri-nhôm

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Vùng ánh sáng nhìn thấy trong phổ bức xạ điện từ 13

Hình 1.2 Các loại đèn LED trắng cơ bản 14

Hình 1.3 Sơ đồ khối của công nghệ VLC 17

Hình 1.4 Sơ đồ khối cho cơ chế điều chỉnh độ sáng của đèn LED 18

Hình 1.5 Mô hình thực tế của công nghệ VLC trong môi trường trong nhà 19

Hình 1.6 Phân loại đường truyền của hệ thống VLC 21

Hình 1.7 Kênh IM/DD trong công nghệ VLC 21

Hình 1.8 Mô hình truyền nhận ánh sáng trực tiếp (LOS) 22

Hình 1.9 Công nghệ truyền thông VLC ứng dụng trong phòng họp 23

Hình 1.10 Công nghệ VLC được sử dụng trong bệnh viện 24

Hình 1.11 Sơ đồ khối của bộ phát video và audio 24

Hình 1.12 Sơ đồ khối của bộ nhận video và audio 25

Hình 1.13 Hệ thống giao thông thông minh 26

Hình 1.14 Hệ thống dẫn đường E-mart trong siêu thị 26

Hình 2.1 Đường tròn tưởng tượng chứa các điểm nhận được thời gian truyền ánh sáng như nhau 29

Hình 2.2.Vị trí robot trong vùng giao cắt của các đường tròn tưởng tượng 31

Hình 2.3 Mô hình hệ thống của phương pháp TDOA 32

Hình 2.4 Phương pháp định vị hyperbol 33

Hình 2.5 Các tham số trong phương pháp định vị RSS 34

Hình 2.6 Mô hình hệ thống của phương pháp định vị AOA 35

Hình 2.7 Mô hình và các thông số hệ thống 35

Hình 2.8 Kịch bản mô phỏng thuật toán định vị AOA 36

Hình 2.9 Mô hình hệ thống kết hợp AOA-RSS sử dụng mảng PD 38

Hình 3.1 Mô hình robot hai bánh vi sai a) Trạng thái của hệ thống robot b) Robot trong hệ tọa độ địa phương và toàn cục 43

Hình 3.2 Vận tốc của hai động cơ trái và phải khi chạy thẳng 44

Hình 3.3 Ứng dụng thông thường của bộ lọc Kalman 47

Hình 3.4 Sơ đồ minh họa ứng dụng của bộ lọc Kalman trong định vị robot .47

Hình 3.5 Robot bị lệch khỏi quỹ đạo của nó do các sai số hệ thống 51

Hình 3.6 Robot và quỹ đạo di chuyển của nó 52

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh những đặc tính của các công nghệ truyền thông VLC, IRB, RFB 19 Bảng 2 1 Các tham số hệ thống trong mô hình hệ thống VLC 39

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những thập kỉ vừa qua, công nghệ truyền thông sử dụng sóng vô tuyến(Radio Frequency-RF) đã phát triển rất mạnh mẽ và chiếm ưu thế trong việc truyền tảithông tin liên lạc và dữ liệu Công nghệ này đã phát triển đến thế hệ di động thứ tư (4Ghay còn gọi là LTE – Long Term Evolution) và hiện nay, nó vẫn được xem như mộtgiải pháp chủ yếu trong truyền thông không dây Tuy nhiên, công nghệ này gặp phảirất nhiều hạn chế như nguồn tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm, nhiễu đa đườngkhi đi qua các tòa nhà cao tầng và ảnh hưởng của nó tới sức khỏe con người Ngoài ra,công nghệ này còn không phù hợp ở một số khu vực hạn chế sóng vô tuyến như: bệnhviện, đường hầm, sân bay, v.v Do sóng vô tuyến gây nhiễu lên các thiết bị điện tửđược sử dụng ở trong các môi trường này, làm sai lệch tín hiệu nhận được hoặc khôngđảm bảo chất lượng dịch vụ cho các thiết bị di động do có nhiều vật cản Cùng với sựphát triển của các loại vật liệu bán dẫn trong những thập kỉ gần đây và sự ra đời của đi-

ốt phát quang (LED), công nghệ VLC (Visible Light Communications) – truyền thông

sử dụng ánh sáng nhìn thấy đã ra đời và phát triển rất nhanh chóng, nó được xem như

là công nghệ mới của truyền thông không dây bởi nhiều đặc tính vật lí nổi bật so vớicác công nghệ truyền thông khác như: tiêu tốn ít năng lượng, hoạt động được trongnhững môi trường khắc nghiệt, không gây hại cho sức khỏe con người, có khả năngtruyền dữ liệu cao, có băng thông rộng và tính bảo mật cao đã giải quyết được các vấn

đề khó khăn còn tồn tại ở công nghệ truyền thông vô tuyến và đặc biệt là khả năng kếthợp giữa truyền thông và chiếu sáng

Ngày nay, sự xuất hiện của các robot di động đã trở nên rất phổ biến trong xãhội Các robot di động có mặt trong các thiết bị gia đình như máy hút bụi hay các hệthống trợ giúp trong gia đình Chúng ta cũng có thể dễ dàng nhìn thấy chúng ở các nơicông cộng như các robot hướng dẫn viên trong viện bảo tàng, phòng trưng bày; haytrong các lĩnh vực công nghiệp và quân sự như robot do thám hay robot vận chuyểnhàng hóa trong các nhà máy, v.v Đối với những robot đòi hỏi khả năng làm việc độclập, thì định vị là yêu cầu đầu tiên và quan trọng nhất Hiện nay, có một số công nghệđịnh vị phổ biến như định vị GPS hoặc sử dụng các cảm biến như cảm biến siêu âm,hồng ngoại, v.v Tuy nhiên, định vị GPS chỉ phù hợp với môi trường ngoài trời với sai

số lên đến hàng mét, còn các cảm biến có độ sai số lớn và thường hoạt động trong các

không gian làm việc có diện tích nhỏ Do đó, định vị cho robot trong môi trường trongnhà trong những năm gần đây đã trở thành vấn đề nhận được nhiều sự quan tâm trongcác nghiên cứu về robot Chính vì vậy, em đã lựa chọn đề tài luận văn của mình là

“Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy kết hợp với

bộ lọc Kalman mở rộng”.

Nội dung đồ án bao gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ VLC – truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy Chương 2: Các phương pháp định vị sử dụng công nghệ VLC trong môi trường trong

nhà

Chương 3: Áp dụng bộ lọc Kalman mở rộng trong việc định vị robot

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

để đồ án được hoàn thiện hơn

Em xin cảm ơn các thầy cô giáo Khoa Công nghệ Điện Tử - Viễn Thông đã giảng dạy

và giúp đỡ em trong quá trình học tập cũng như thực hiện đồ án này

Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị Huyền Trang đã trực tiếp hướngdẫn em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Đà Nẵng, ngày… tháng 5 năm 2016

Sinh viên

Hoàng Như Việt

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VLC – TRUYỀN

THÔNG SỬ DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY

Trong những năm gần đây, công nghệ VLC – truyền thông sử dụng ánh sángnhìn thấy đã phát triển rất nhanh chóng và dần có mặt trong rất nhiều ứng dụng trongđời sống xã hội Công nghệ VLC được đề xuất là một trong những mô hình cho mạngthông tin di động thế hệ thứ năm (5G) nhằm đáp ứng các nhu cầu ngày càng cao củangười sử dụng về chất lượng dịch vụ như tốc độ dữ liệu, giảm chi phí, các ảnh hưởngtới sức khỏe con người, v.v Một số tiêu chuẩn cho công nghệ VLC đã được đề suất vàđang trong quá trình hoàn thiện như tiêu chuẩn IEEE 802.15.7 Với khả năng vừa cungcấp yêu cầu về truyền thông, vừa cung cấp yêu cầu về chiếu sáng, công nghệ VLCđược xem như là một thay thế rất tốt cho mạng truyền thông vô tuyến hiện nay trongcác môi trường trong nhà như các tòa nhà cao tầng, nơi mà nhiễu đa đường có ảnhhưởng rất lớn Trong nội dung của chương một, em sẽ giới thiệu tổng quan về các vấn

đề cơ bản trong công nghệ VLC – truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy Đồngthời, một số ứng dụng phổ biến nhất của công nghệ VLC cũng sẽ được đề cập đếntrong phần cuối cùng của chương này

1.1 Đèn LED trắng

1.1.1 Một vài nét sơ lược

Trong một hệ thống truyền thông quang, các nguồn ánh sáng được sử dụng phảiđạt những yêu cầu nhất định như: bước sóng, độ rộng vạch phổ phù hợp, độ bức xạ caovới diện tích bề mặt phát cực nhỏ, tuổi thọ và độ tin cậy cao, có khả năng hoạt động tốttrong các môi trường khắc nghiệt Trong những năm gần đây, công nghệ đèn LED đãphát triển rất mạnh mẽ và được xem là ứng cử viên số một cho các hệ thống có khảnăng chiếu sáng và truyền thông đồng thời do thỏa mãn các điều kiện trên Thiết bịnày hoạt động dựa trên nguyên tắc kích thích các điện tử của vật liệu bán dẫn để phát

ra ánh sáng Bức xạ quang do sự kích thích các điện tử, bức xạ này chiếm phần lớn,bức xạ nhiệt hầu như không có hoặc rất nhỏ do thành phần cấu tạo của vật liệu Do đó,khi áp dụng công nghệ này sẽ giảm được hiệu ứng nhà kính, đồng thời, công suất haotổn thấp do hầu như không bức xạ nhiệt hoặc bức xạ nhiệt rất ít Vì lý do này mà công

nghệ truyền thông quang sử dụng đèn LED được coi như là một công nghệ truyền

thông xanh (Green Communications)

Các đèn LED có một dải rộng các bước sóng do bức xạ quang của các vật liệukhác nhau, từ vùng ánh sáng nhìn thấy đến vùng hồng ngoại (IR) trong dải phổ điện từ.

Trong đó, LED trắng có bức xạ trong toàn vùng ánh sáng nhìn thấy (có giới hạnnằm trong khoảng từ 400 (nm) đến 700 (nm))

Hình 1.1 Vùng ánh sáng nhìn thấy trong phổ bức xạ điện từ

Cùng với sự phát triển không ngừng trong công nghệ chế tạo đèn LED, nhữngvật liệu để chế tạo LED trắng cũng ngày càng phong phú và cải thiện được nhiều tínhchất quan trọng trong việc chiếu sáng và truyền thông Chúng ta có thể phân loại đènLED sau:

 Đèn LED trắng đầu tiên ra đời bởi sự kết hợp của LED GaN (galliumNitride) phát quang xanh ở bước sóng 450 (nm) – 470 (nm) với phốt pho YAG(Yttrium Aluminum Garnet) Loại đèn LED này hoạt động bằng cách phát ánh sángxanh qua lớp phủ phốt pho màu vàng để tạo ra ánh sáng trắng (xem hình 1.2)

 Phương pháp thứ hai dựa trên công thức pha trộn các màu sắc khác nhau

Trong đó, ba màu chủ đạo là đỏ (λred ~ 625 (nm)), xanh lá cây (λgreen ~ 525 (nm)) và xanh da trời (λblue ~ 470 (nm)) được phối theo một tỉ lệ nhất định (xem hình 1.2).

 Gần đây, một công nghệ mới trong việc sản xuất LED được đưa vào sửdụng, bằng cách phối hợp UV-LED (Ultra Violet – LED, tia cực tím ở bước sóng 380(nm)) với phốt pho Bằng việc kết hợp UV-LED với các loại phốt pho khác nhauchúng ta có thể thu được đèn LED trắng hoặc các loại đèn LED có màu sắc khác nhưtím, da cam, hồng, v.v để phục vụ cho mục đích trang trí và các ứng dụng khác nhau

Hình 1.2 Các loại đèn LED trắng cơ bản

Trong đó: là đường cong độ sáng tiêu chuẩn, là tầm nhìn tối đa, vào

khoảng ~680 (lm/W) tại bước sóng λ = 555nm.

1.1.2.2 Công suất quang truyền

Công suất quang truyền Công suất quang truyền biểu thị tổng năng lượng bức

xạ từ đèn LED Bằng cách lấy tích phân của thông năng  e theo tất cả mọi hướng ta

thu được công suất quang truyền Pt:

Trong đó, max và min được xác định bằng đường cong biểu diễn độ nhạycủa photodiode (PD).

1.1.3 Ưu nhược điểm

Như đã đề cập trong phần trên, đèn LED trắng không chỉ được sử dụng chomục đích chiếu sáng trong phòng, đèn đường, và các ứng dụng liên quan đến trang trí

mà đèn LED trắng ngày nay còn được sử dụng trong các hệ thống truyền thông khôngdây Hiện tại, nó được xem như là công nghệ chiếu sáng phổ biến nhất trong thế kỉ 21đang dần thay thế các loại đèn truyền thống như đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang bởinhững ưu điểm của nó

1.1.3.1 Ưu điểm

Trong tương lai chúng ta sẽ được chứng kiến sự tăng trưởng mạnh mẽ của đènLED trong hoạt động hoạt động chiếu sáng bởi đây là một công nghệ xanh và tiết kiệmnăng lượng Công nghệ này có một số lợi thế như sau:

 Tuổi thọ cao: Thời gian sống trung bình của đèn LED trắng là 25.000 đến1.000.000 giờ Đây là một con số rất lớn so với thời gian hoạt động 1.000 giờ của cácbóng đèn sợi đốt thông thường

 Hiệu suất cao: Các đèn LED trắng có lượng quang thông (tính bằng đơn vịlumen) trên mỗi oát phát ra lớn hơn nhiều so với các đèn nóng sáng truyền thống Ví

dụ, một oát sẽ có lượng quang thông là 683 (lm) tại bước sóng 555 (nm)

 Kích thước nhỏ: LED trắng có kích thước rất nhỏ (nhỏ hơn 2 (mm2)) do đó,

nó được sử dụng rất nhiều trong các mạch điện tử và trang trí

 Nhiệt độ hoạt động thấp: So với các nguồn phát sáng nhân tạo khác nhưđèn sợi đốt (phát xạ ánh sáng do bức xạ nhiệt), đèn huỳnh quang Các đèn LED trắnghầu như không bức xạ nhiệt mà chủ yếu là bức xạ quang, do đó năng lượng hao phí rấtthấp

 Dễ dàng điều chỉnh độ sáng của đèn LED: Có thể dễ dàng điều chỉnh độsáng của các đèn LED bằng phương pháp điều chỉnh độ rộng xung hoặc cường độdòng điện qua LED

 An toàn và không ảnh hưởng tới sức khỏe: Các đèn LED trắng không bức

xạ tia cực tím, không chứa thủy ngân trong thành phần cấu tạo, vì vậy nguồn phát sángnày không ảnh hưởng cho sức khỏe và an toàn cho mắt của con người

 Sự đa dạng về màu sắc: Sự đa dạng về màu sắc trong vùng ánh sáng nhìnthấy của đèn LED được thực hiện đơn giản bằng việc phối hợp ba màu sắc cơ bản (đỏ,xanh da trời, xanh lá cây) với một tỉ lệ thích hợp mà không cần sử dụng bất kỳ bộ lọcmàu sắc nào như các nguồn phát sáng nhân tạo thông thường.

 Khả năng phát sáng tập trung: Do lợi thế về kích thước rất nhỏ cùng với

khả năng bức xạ cao, chúng ta có thể dễ dàng điều chỉnh góc khối của đèn LED để đạtđược khả năng phát tập trung cao so với nguồn ánh sáng sợi đốt và huỳnh quang

 Phân cực điện: Các đèn LED trắng chỉ hoạt động nếu ta phân cực đúng cho

nó trong khi đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang không bị ảnh hưởng bởi cơ chế phân cựcđiện này

 Độ nhạy điện áp: Các đèn LED trắng phải được cung cấp một điệp áp cógiá trị trên một ngưỡng nhất định và dòng đi qua phải thấp hơn một giá trị nhất định

 Mức độ phân kì: Các đèn LED trắng không thể cung cấp mức độ phân kìthấp hơn vài độ Trong khi đó, nguồn phát sáng Laser có thể phát những tia sáng cómức độ phân tán khoảng 0.2 độ hoặc nhỏ hơn

1.2 Mô tả hệ thống VLC

1.2.1 Mô hình hệ thống

Hình 1.3 là sơ đồ khối của một hệ thống truyền thông sử dụng ánh sáng nhìnthấy (VLC) Một hệ thống VLC có thể dễ dàng thực hiện được bằng cách điều chế tínhiệu theo mức độ sáng - tối của đèn LED Việc điều khiển độ sáng một cách chính xác

là một thách thức lớn đối với các đèn sử dụng bức xạ nhiệt, trong khi đó, các đèn LED

có thể điều chỉnh được chính xác độ sáng – tối một cách dễ dàng bởi vì đáp ứng thờigian của chuyển mạch ON - OFF của đèn LED là rất nhỏ (chỉ khoảng vài chục nanogiây) Vì vậy, bằng việc điều chế dòng điện qua đèn LED ở một tần số khá cao, chúng

ta có thể thay đổi trạng thái ON- OFF của đèn LED mà không làm thay đổi cường độsáng Do đó, mắt của con người không thể cảm nhận được sự thay đổi này

Hình 1.3 Sơ đồ khối của công nghệ VLC

Trong thực tế, chúng ta không thể sử dụng một bộ điều khiển để điều khiển chomột đèn LED riêng lẻ bởi vì các hệ thống chiếu sáng sử dụng đèn LED thường có sốlượng đèn rất lớn Do đó, chúng ta cần phải thiết kế một cơ chế điều khiển để có khảnăng điều khiển được tất cả các đèn LED trong hệ thống

Hình 1.4 Sơ đồ khối cho cơ chế điều chỉnh độ sáng của đèn LED

Hình 1.4 là sơ đồ khối của một kịch bản điều khiển chung cho các đèn LED.Với một số lượng lớn các đèn LED, bộ điều khiển trung tâm vẫn có khả năng điềukhiển độ sáng tại bất kỳ một vị trí mong muốn nào Đối với các đèn LED được sửdụng đồng thời cho cả hai mục đích chiếu sáng và truyền thông thì các tín hiệu điềukhiển độ sáng và tín hiệu truyền phải độc lập và không gây nhiễu lên nhau Rất nhiềucác phương pháp điều khiển độ sáng được nghiên cứu và đề suất cho đến nay Điềukhiển độ sáng tối của đèn LED dựa trên điều chế biên độ là giải pháp đơn giản nhất.Tuy nhiên, phương pháp điều chỉnh độ rộng xung là giải pháp tối ưu nhất cho việcđiều khiển độ sáng và truyền thông

Hình 1.5 minh họa mô hình thực tế của công nghệ VLC trong môi trường trongnhà

Hình 1.5 Mô hình thực tế của công nghệ VLC trong môi trường trong nhà

Bảng 1.1 so sánh các đặc trưng giữa các công nghệ truyền thông sử dụng sóng

vô tuyến, sóng hồng ngoại và ánh sáng nhìn thấy Qua bảng trên chúng ta có thể thấyrằng hệ thống VLC có nhiều ưu điểm hơn các hệ thống RF như vừa có khả năng chiếusáng vừa có thể truyền dữ liệu, băng thông rộng, mức độ bảo mật cao và công suất tiêuthụ thấp Bên cạnh đó, nó cũng có những hạn chế so với công nghệ RF như: khó có thểtruyền dữ liệu trong khoảng cách xa, chỉ tối ưu trong môi trường sóng ánh sáng truyềnthẳng

Bảng 1.1 So sánh những đặc tính của các công nghệ truyền thông VLC, IRB, RFB

Băng thông Không giới hạn

(400 – 700 mm)

Không giới hạn (800-1600 nm)

Giới hạn

(ngoài trời)

Ngắn đến dài (ngoài trời)

Tiêu chuẩn

Đang hoàn thiện (tiêu chuẩn IEEE 802.15.7)

Khá đầy đủ cho môi trường trong nhà, đang hoàn thiện cho môi trường ngoài trời

Hoàn thiện

Truyền thông thôngNguồn nhiễu

Ánh sáng mặt trời và các nguồnsáng xung quanh

Ánh sáng mặt trời vàcác nguồn sáng xungquanh

Tất cả các thiết bị điện tử

Tổn hao

Trung bìnhKhả năng

Vùng phủ Hẹp và

Chủ yếurộng

1.2.2 Cấu hình đường truyền

Có sáu loại hình đường truyền cho các hệ thống truyền thông sử dụng ánh sángtrong môi trường trong nhà được phân loại dựa trên hai yếu tố Yếu tố đầu tiên đượcquyết định bởi mức độ định hướng giữa bộ phát và bộ nhận Mối quan hệ giữa chúngđược phân thành ba loại: trực tiếp, không trực tiếp và lai ghép (xem hình 1.6) Đườngtruyền trực tiếp giữa bộ phát và bộ nhận có hiệu suất công suất nhận được cao nhất bởi

vì suy hao và nhiễu mà nó phải chịu từ các nguồn sáng xung quanh là nhỏ nhất Đốivới các đường truyền không trực tiếp, các thiết bị di động có thể dễ dàng nhận được tínhiệu ngay cả khi đang di chuyển nhưng công suất tín hiệu nhận được thì không cao dotín hiệu phát bị phân tán và ảnh hưởng các nguồn ánh sáng khác từ môi trường Trongcấu hình lai ghép mức độ định hướng giữa bộ phát và bộ nhận có sự khác biệt, côngsuất nhận được cao hơn cấu hình phân tán do độ tập trung ánh sáng của bộ phát, nhưngnhỏ hơn cấu hình định hướng và vẫn bị ảnh hưởng bởi các nguồn ánh sáng khác do độ

mở của bộ nhận lớn

Hình 1.6 Phân loại đường truyền của hệ thống VLC

Yếu tố thứ hai phụ thuộc vào chùm tia sáng có hướng thẳng đến bộ nhận haykhông? Dựa vào yếu tố thứ hai chúng ta có hai loại hình đường truyền khác nhau làđường truyền thẳng (Light of Sight – LOS) và đường truyền gián tiếp (Non Light ofSight – NLOS) Đối với cấu hình đường truyền LOS, hiệu suất của công suất nhậnđược là cao nhất và méo đa đường nhỏ nhất Trong khi đó, cấu hình đường truyềnNLOS lại phù hợp hơn trong các tình huống đặc biệt như có vật cản, người che khuất

1.2.3 Kênh IM-DD

Trong hệ thống truyền thông vô tuyến, điều chế tín hiệu theo biên độ, pha vàtần số là các phương pháp điều chế được sử dụng nhiều nhất Còn trong công nghệtruyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy, điều chế cường độ (IM – IntensityModulation) là phương pháp điều chế phổ biến nhất Các bộ nhận quang (như PD)được sử dụng để thu tín hiệu quang trực tiếp (DD – direct detection) và sau đó, sinh ramột dòng điện tỉ lệ với công suất quang tức thời nhận được Hình 1.7 mô tả mô hìnhcủa kênh truyền sử dụng ánh sang nhìn thấy IM/DD

Hình 1.7 Kênh IM/DD trong công nghệ VLC

Kênh VLC có thể được mô hình như một hệ thống tuyến tính trong dải tần cơ

sở với công suất đầu vào tức thời X(t), dòng qua bộ nhận quang Ip(t), hệ thống tuyến tính bất biến có đáp ứng kênh h(t) Trong nhiều ứng dụng của hệ thống VLC, các

nhiễu có phân bố Gauss có ảnh hưởng lên đầu ra của hệ thống Do đó, kênh IM/DD cóthể biểu diễn như sau:

)

Trong đó, γ là độ nhạy thu của PD (A/W) và ⊗ biểu thị cho phép tích chập Do đó,

công suất quang truyền trung bình được biểu diễn như sau:

1.2.4 Công suất quang nhận

Hình 1.8 Mô hình truyền nhận ánh sáng trực tiếp (LOS)

Hình 1.8 mô tả kênh truyền quang không dây trong trường hợp kênh truyềnthẳng Trong đường truyền quang không dây này, độ lợi DC của kênh truyền đượcbiểu diễn như sau:

Trong đó, A là diện tích bề mặt nhận sáng của một PD; m là hệ số Lambert;

là khoảng cách giữa đèn LED và PD; ψ là góc của ánh sáng tới bề mặt của PD và ϕ là

góc rọi của đèn LED Ts() là độ lợi của bộ lọc quang cosm(ϕ) và cos(ψ) lần lượt là

độ nhạy của LED và PD gs() là độ tập trung ánh sáng:

1.3.1 Truyền thông di động

1.3.1.1 Truyền thông di động thế hệ sau 4G

Công nghệ VLC được xem như là một trong những ứng viên sáng giá cho thế

hệ di động sau 4G giúp tăng chất lượng dịch vụ trong các tòa nhà, văn phòng hay cácmôi trường trong nhà khác nơi mà truyền thông bằng sóng vô tuyến có thể bị suy haocao do hiệu ứng đa đường trong những môi trường này Do đó, công nghệ VLC là mộtgiải pháp thay thế rất hữu hiệu để nâng cao chất lượng dịch vụ Đã có rất nhiều hệthống lai ghép giữa mạng di động tế bào và mạng di động VLC nơi mà các đèn LEDđóng vai trò là các điểm truy cập đã được đề suất cho đến nay

Hình 1.9 Công nghệ truyền thông VLC ứng dụng trong phòng họp

1.3.1.2 Truyền thông trong các môi trường đặc biệt

Các môi trường hạn chế sử dụng sóng vô tuyến: Sóng vô tuyến được đặc biệthạn chế ở một số môi trường đặc biệt như: sân bay, trạm xăng dầu, hay bệnh viện Lý

do là sóng vô tuyến sẽ gây nhiễu lên hoạt động của các thiết bị điện tử, làm cho chúng

hư hỏng hoặc không chính xác, thậm chí có thể gây nên cháy nổ hoặc hỏa hoạn ởnhững khu vực như trạm xăng Do đó, công nghệ VLC là một công nghệ thích hợp đểthay thế cho truyền thông bằng sóng vô tuyến ở những khu vực này

Hình 1.10 Công nghệ VLC được sử dụng trong bệnh viện

1.3.2 Truyền hình

Mô hình thực tế để truyền phát video qua kênh truyền VLC Điều này hứa hẹn

sẽ mở ra sự phát triển mạnh mẽ cho các dịch vụ giải trí đa phương tiện tại nhà

Hình 1.11 Sơ đồ khối của bộ phát video và audio

Hình 1.12 Sơ đồ khối của bộ nhận video và audio

1.3.3 Nhà thông minh

Chiếu sáng thông minh là một yêu cầu rất cần thiết cho những ngôi nhà thôngminh, trong khách sạn, bảo tàng, v.v Với việc kết hợp công nghệ VLC vào các thiết bịchiếu sáng, không chỉ tạo nên mạng chiếu sáng thông minh mà còn tạo thành các điểmtruy cập không dây, giúp người sử dụng có thể dễ dàng sử dụng các dịch vụ giải trícũng như truy cập Internet Quan trọng nhất là người dùng có thể điều khiển ngôi nhàcủa mình thông qua công nghệ này như đóng cửa, tự động bật nhạc, tự động dọn vệsinh, v.v

1.3.4 Hệ thống giao thông thông minh

Công nghệ truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy không chỉ được sử dụng trongmôi trường trong nhà mà nó còn được ứng dụng trong cả môi trường ngoài trời, đặcbiệt là trong hệ thống giao thông thông minh Các phương tiện giao thông có thể giaotiếp với nhau thông qua các bộ thu phát tín hiệu VLC để giảm thiểu những tai nạn

giao thông hoặc đèn chiếu sáng ở hai bên đường để định vị hay truy cập Internet.Hình 1.15 minh họa hệ thống giao thông thông minh sử dụng công nghệ VLC.

Hình 1.13 Hệ thống giao thông thông minh

1.3.5 Định vị và dẫn đường

Định vị và dẫn đường là hai bài toán rất phổ biến trong các ứng dụng của điệnthoại thông minh hay robot trong môi trường trong nhà, ví dụ như hệ thống e-mart (hệthống siêu thị điện tử) trong siêu thị Dựa trên các tham số như công suất nhận, màusắc, tần số hay các yếu tố hình học, v.v chúng ta có thể dễ dàng ứng dụng công nghệVLC để giải quyết cái bài toán định vị

Hình 1.14 Hệ thống dẫn đường E-mart trong siêu thị

1.4 Tóm tắt chương một

Trong chương này chúng ta đã thảo luận các vấn đề cơ bản liên quan đến côngnghệ truyền thông không dây sử dụng ánh sáng nhìn thấy – VLC có dải tần rộng từ

400 (Hz) đến 800 (Hz) Hệ thống VLC sử dụng đèn LED trắng để làm nguồn phát vớicác ưu điểm vượt trội của nó so với các loại đèn phát sáng thông thường như đènhuỳnh quang và đèn sợi đốt như tiêu thụ công suất thấp, độ sáng cao, tuổi thọ cao, dễdàng điều khiển độ sáng, v.v tuy rằng nó vẫn còn gặp phải một số nhược điểm Môhình chi tiết và các đặc trưng cơ bản của một hệ thống VLC cũng được mô tả và thảoluận chi tiết trong nội dung của chương một Một số ứng dụng phổ biến của công nghệVLC sẽ được liệt kê trong phần cuối cùng của chương này