Nghiên cứu ứng dụng của công nghệ mimo trong hệ thống thông tin sử dựng ánh sáng nhìn thấy

Hệ thống thông tin quang không dây sử dụng ánh sáng nhìn thấy Visible Light Communication – VLC ra đời dựa trên cơ sở ứng dụng những thành tựu khoa học kỹ thuật của công nghệ chế tạo th

-

NGUYỄN NGỌC NAM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ MIMO TRONG

HỆ THỐNG THÔNG TIN SỬ DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS HÀ DUYÊN TRUNG

HÀ NỘI - 2016

HV: Nguyễn Ngọc Nam i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là nghiên cứu của chính bản thân Các nghiên cứu trong luận văn này dựa trên những tổng hợp lý thuyết và hiểu biết thực tế của mình, không sao chép từ bất kỳ một luận văn nào khác Mọi thông tin trích dẫn đều được tuân theo luật sở hữu trí tuệ, liệt kê rõ ràng các tài liệu tham khảo Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung được viết trong luận văn này

1

Học viên Nguyễn Ngọc Nam

HV: Nguyễn Ngọc Nam ii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT viii

LỜI MỞ ĐẦU x

CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN SỬ DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY 1

1.1 Giới thiệu về truyền thông quang không dây 1

1.2 Truyền thông quang không dây sử dụng ánh sáng nhìn thấy 3

1.2.1 Lịch sử phát triển của VLC 4

1.2.2 Tính chất của VLC 6

1.2.3 Ứng dụng của công nghệ VLC 7

1.3 So sánh VLC với một số công nghệ truyền thông khác hiện nay 9

1.3.1 Dung lượng 10

1.3.2 Hiệu năng 10

1.3.3 An toàn 10

1.3.4 Bảo mật 10

1.5 Kết luận chương 1 11

CHƯƠNG 2 - HỆ THỐNG VLC SỬ DỤNG NGUỒN SÁNG LED 13

2.1 Mô hình hệ thống VLC 13

2.2 Phía phát của hệ thống VLC 14

2.2.1 Nguồn phát quang LED 14

2.2.2 Thành phần điều chế và điều chỉnh độ sáng của LED 17

2.3 Mô hình kếnh VLC 30

2.3.1 Mô hình kênh truyền IM/DD 30

2.3.2 Các tham số hiệu năng kênh 31

2.4 Mô hình kết nối VLC 33

2.4.1 Mô hình kết nối điểm – điểm 34

HV: Nguyễn Ngọc Nam iii

2.4.2 Mô hình kết nối phân tán 35

2.4.3 Mô hình kết hợp (Quas – Diffuse Link) 35

2.4.4 So sánh các mô hình 37

2.5 Phía thu của hệ thống VLC 37

2.5.1 Bộ tập trung quang 37

2.5.2 Bộ lọc quang 38

2.5.3 Diode tách quang 38

2.6 Các vấn đề gặp phải của công nghệ VLC 41

2.6.1 Vấn đề Line of Sight 41

2.6.2 Vấn đề về chất lượng tín hiệu 41

2.6.3 Vấn đè về thiết bị đàu cuối 43

2.6.4 Vấn đề chuẩn hóa 43

2.6.5 Một số vấn đề khác 43

2.7 Giải pháp cải thiện hiệu năng 43

2.7.1 Giải pháp kết nối đường lên 43

2.7.2 Giải pháp đa truy nhập đa chặng 44

2.7.3 Giải pháp tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu 45

2.8 Kết luận chương 2 45

CHƯƠNG 3 - CÔNG NGHỆ MIMO TRONG HỆ THỐNG VLC TRONG NHÀ 47

3.1 Mô hình hệ thống VLC trong nhà 48

3.1.1 Kết cấu hình học của phòng 48

3.1.2 Mô hình kênh truyền 49

3.2 Sử dụng MIMO trong hệ thống VLC trong nhà 51

3.3 Đánh giá hoạt động của MIMO-VLC 56

3.3.1 Phân bố mức ánh sáng trong phòng 56

3.3.2 Phân bố công suất trong phòng 58

3.3.3 Đánh giá về trễ RMS tại mặt phẳng thu 60

3.3.4 Đánh giá tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR và tỉ lệ bit lỗi BER 61

3.4 Kết luận chương 3 63

HV: Nguyễn Ngọc Nam iv

KẾT LUẬN CHUNG 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 PHỤ LỤC 68

HV: Nguyễn Ngọc Nam v

7 DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Các ứng dụng phổ biến của truyền thông quang không dây OWC 2

Hình 1.2: Cấu trúc một hệ thóng VLC cơ bản 4

Hình 1.3: Phổ ánh sáng nhìn thấy 7

Hình 1.4: Ứng dụng VLC trong ITS 8

Hình 1.5: Các ứng dụng của hệ thống VLC trong nhà 8

Hình 1.6: Ứng dụng VLC trong khoang máy bay 9

Hình 2.1: Mô hình hệ thống VLC cơ bản 13

Hình 2.2: Các hình dạng và kích thước khác nhau của LED 14

Hình 2.3: Cấu tạo của LED trắng; (a)-LED đơn chip, (b)-LED đa chip 15

Hình 2.4: Phổ công suất của LED 16

Hình 2.5: Mã Manchester cho OOK 18

Hình 2.6: Tăng độ sáng bằng cách chèn thêm ký hiệu thừa CS 19

Hình 2.7: Mô hình VPPM cấu tạo từ 2-PPM với độ sáng 50% (a) và PWM để điều chỉnh độ sáng (b) 20

Hình 2.8: Dạng sóng của tín hiệu VPPM với độ rộng xung 75% 20

Hình 2.9: Không gian màu CIE với hai trục xy và 7 dải màu (000 đến 110) 22

Hình 2.10: Điều chế DMT 23

Hình 2.11: So sánh BER 25

Hình 2.12: Dung lượng kênh cho bốn trường hợp 29

Hình 2.13: Mô hình kênh truyền VLC IM/DD 30

Hình 2.14: Đường truyền LoS khuếch tán trong kênh suy hao tín hiệu 31

Hình 2.15: Một số mô hình kết nối VLC 33

Hình 2.16: Mô hình kênh truyền điểm - điểm 34

Hình 2.17: Mô hình kết nối phân tán 36

Hình 2.18: Mô hình kênh kết hợp 36

Hình 2.19: Bộ tập trung quang CPC 38

Hình 2.20: Cấu trúc Diode PIN 39

Hình 2.21: Cấu trúc Diode thác APD 40

HV: Nguyễn Ngọc Nam vi

Hình 2.22: Méo do truyền đa đường 42

Hình 2.23: Ví dụ sử dụng bộ thu phát phản xạ tạo kết nối đường lên 44

Hình 2.24: Giải pháp đa truy nhập đa chặng 45

Hình 3.1: Mô hình truyền dẫn VLC trong nhà 47

Hình 3.2: Mô hình hệ thống VLC trong nhà điển hình 48

Hình 3.3: Môi trường VLC trong nhà 50

Hình 3.4: Mô hình đa LED 51

Hình 3.5: Mô hình một hệ thống MIMO 52

Hình 3.6: Hệ thống VLC MIMO 54

Hình 3.7: Phân bố cường độ ánh sáng 58

Hình 3.8: Phân bố công suất ánh sáng 59

Hình 3.9: Phân bố trễ RMS tại mặt phẳng thu 60

Hình 3.10: Tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm SNR 62

Hình 3.11: Tỉ lệ bit lỗi BER 63

HV: Nguyễn Ngọc Nam vii

8 DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Một số công nghệ truyền thông quang không dây hiện tại [3] 3

Bảng 1.2: Quá trình phát triển của VLC 6

Bảng 1.3: So sánh VLC và RF 11

Bảng 2.1: Các dải màu trong không gian màu CIE 1931 với tọa độ màu (x, y) 21

Bảng 2.2: So sánh các mô hình kết nối 37

Bảng 2.3: Một số loại Diode tách quang 41

Bảng 3.1: Các ứng dụng với môi trường trong nhà 48

Bảng 3.2: Các tham số cơ bản mô phỏng 56

HV: Nguyễn Ngọc Nam viii

9 DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

A

APD Avalanche Photodiode Diode quang thác

AWGN Additive White Gaussian

B

C

CS Compensation Symbol Ký hiệu dư thừa

D

DMT Discrete Multi-tone Đa âm rời rạc

F

FIR Finitie Impulse Respond Đáp ứng xung hữu hạn

I

IM/DD

Intensity Modulation/Direct Detection

Điều chế cường độ/tách sóng trực tiếp

L

HV: Nguyễn Ngọc Nam ix

M

MIMO Multi Input Multi Output Đa đầu vào, đa đầu ra

MFTP Maximum Flickering Time

MLL Mesuared Level of Light Mức ánh sáng đo được

N

NLoS Non Light of Sight Ngoài tầm nhìn thẳng

O

OWC Optical Wireless

Communication Truyền thông quang không dây

P

PPM Pluse Position Modulation Điều chế vị trí xung

PDF Power Density Function Hàm mật độ công suất

VPPM Variable Pulse Position

Modulation Điều chế vị trí xung biến đổi

HV: Nguyễn Ngọc Nam x

LỜI MỞ ĐẦU

Mạng thông tin quang không dây là xu thế phát triển hiện nay và hứa hẹn thay thế nhiều ứng dụng đang sử dụng mạng có dây Hệ thống thông tin quang

không dây sử dụng ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communication – VLC) ra đời

dựa trên cơ sở ứng dụng những thành tựu khoa học kỹ thuật của công nghệ chế tạo thiết bị chiếu sáng cụ thể là LED và công nghệ thông tin VLC được sử dụng trong nhiều lĩnh vực đời sống với đặc điểm chung nổi bật là hoạt động trong những môi trường cấm sóng vô tuyến

Trong thời gian gần đây đã có rất nhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng hoạt động của hệ thống VLC Vì vậy, trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu về hệ thống thông tin quang sử dụng ánh sáng nhìn thấy, em đã lựa chọn

đề tài “ Nghiên cứu ứng dụng của công nghệ MIMO trong hệ thống thông tin quang sử dụng ánh sáng nhìn thấy”

Luận văn gồm có những nội dung chính như sau:

Chương 1: “Giới thiệu về công nghệ thông tin sử dụng ánh sáng nhìn thấy”

sẽ đưa ra những định nghĩa cơ bản, cấu trúc, ứng dụng của hệ thống quang không dây sử dụng ánh sáng nhìn thấy và những ưu điểm của nó so với hệ thống thông tin

vô tuyến hiện nay

Chương 2: “Hệ thống VLC sử dụng nguồn sáng LED” sẽ trình bày những vấn đề liên quan đến hệ thống VLC dùng nguồn sáng LED; đồng thời đưa ra một số tham số đánh giá hiệu năng và những vấn đề gặp phải của hệ thống VLC sử dụng nguồn sáng LED

Chương 3: “Công nghệ MIMO trong hệ thống VLC trong nhà” sẽ giới thiệu

về mô hình VLC cho các ứng dụng trong nhà, mô hình hóa một hệ thống cơ bản và đánh giá hoạt động bằng phần mềm Matlab

Phần cuối cùng - “Kết luận chung” sẽ đánh giá lại toàn bộ luận văn, khái quát những nội dung chính, những ưu điểm và hạn chế của luận văn đồng thời đưa

ra các hướng nghiên cứu tiếp theo

Em xin cảm ơn các thầy cô giáo tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giảng dạy và giúp đỡ em trong quá trình học tập tai trường Đặc biệt em xin chân

so với các kĩ thuật truyền thông vô tuyến hiện nay (như Bluetooth, WiFi, WiMax…)

và cũng không cần cấp phép dải tần số Đặc biệt, đối với các hệ thống OWC trong nhà, việc sử dụng LED (Light Emitting Diode) làm nguồn quang thay thế cho LD (Laser Diode) giúp tận dụng các ưu điểm của LED về độ bền, tính ổn định, và đảm bảo an toàn cho người sử dụng Đây cũng là nền tảng cho công nghệ thông tin sử dụng ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communication – VLC)

1.1 Giới thiệu về truyền thông quang không dây

Truyền thông quang không dây OWC là công nghệ viễn thông sử dụng sự lan truyền của ánh sáng trong không gian để truyền tín hiệu [1] Đây là công nghệ truyền thông băng rộng, trong đó tín hiệu được phát đi trong một búp sóng quang qua không gian với bước sóng từ vùng hồng ngoại đến vùng cực tím bao gồm phổ ánh sáng nhìn thấy Phía phát chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và phía thu chuyển đổi công suất quang thu được thành tín hiệu điện LED và LD có thể được sử dụng làm nguồn quang và đi-ốt tách quang được sử dụng làm bộ tách sóng quang Các thấu kính thường được sử dụng ở cả phía phát và phía thu để tăng độ hội

tụ của chùm sáng, nâng cao hiệu suất phát và thu tín hiệu

Công nghệ OWC có thể được sử dụng làm đường truyền kết nối số liệu trong các tòa nhà (kết nối giữa các mạng LAN) hay làm đường truyền dẫn tốc độ cao cho người dùng Internet với nhà cung cấp hoặc các mạng khác Ngoài ra, OWC cũng được sử dụng trong hệ thống mạng vòng đô thị để cung cấp các kết nối tốc độ cao cho các doanh nghiệp, cũng như mang lưu lượng của mạng di động từ ăngten tới các thiết bị khác của mạng (Hình 1.1) Hơn nữa, OWC còn được sử dụng để truyền số liệu giữa một tàu vũ trụ ở xa và một trạm ở gần trái đất Với các ưu điểm nổi bật

HV: Nguyễn Ngọc Nam 2

như: không yêu cầu cấp phép dải tần vô tuyến, không bị ảnh hưởng của nhiễu điện

từ, dễ dàng triển khai lắp đặt, cung cấp tuyến truyền thông tốc độ cao với khả năng

an toàn bảo mật lớn, công nghệ OWC hứa hẹn sẽ được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống[2]

Hình 1.1: Các ứng dụng phổ biến của truyền thông quang không dây OWC

Có thể phân chia các ứng dụng của hệ thống OWC thành 2 nhóm: OWC ngoài trời và hệ thống OWC trong nhà

- Các hệ thống OWC ngoài trời thường yêu cầu khoảng cách truyền dẫn tương đối lớn (từ vài trăm m đến vài km), do đó chịu tác động mạnh từ các yếu tố của môi trường xung quanh như: sương mù, mưa, tuyết, sự ô nhiễm, sự hấp thụ, sự tán xạ, sự nhiễu loạn, vật cản vật lý hay sự lệch hướng phát-thu khi tòa nhà dao động [3]… Vì vậy, ánh sáng truyền đi phải có năng lượng cao và tính hướng tốt để đảm bảo chất lượng tín hiệu thu được ở máy thu Với các

hệ thống OWC ngoài trời, nguồn quang thường dùng là các LD phát ra ánh sáng cường độ cao tại vùng bước sóng lớn (1550 nm) để giảm thiểu suy hao truyền dẫn

- Các hệ thống OWC trong nhà thường được dùng cho các mục đích truyền thông cự li ngắn tốc độ cao và có khả năng di chuyển được Thách thức lớn nhất của các hệ thống này là sự suy giảm tín hiệu do hiệu ứng tán sắc và nhiễu từ ánh sáng mặt trời hay các nguồn sáng nhân tạo khác Nguồn phát quang thường dùng là LED phát ánh sáng trong vùng khả kiến hoặc gần hồng ngoại để đảm bảo an toàn cho mắt cũng như cung cấp nguồn quang giá rẻ giúp giảm chi phí cả hệ thống So với LD thì ánh sáng do LED phát ra có

Công nghệ Khoảng cách Tốc độ Khu vực sử

Visible Light ID

System Standard Không xác định 4.8kb/s Nhật Bản

Các hệ thống tốc độ thấp dành cho việc nhận dạng và đánh dấu

ICSA Khoảng vài m 10Mb/s Nhật Bản Mạng LAN trong

IEEE 802.15.7 Khoảng vài m 10kb/s -

10Mb/s Quốc Tế

Các đường truyền trong nhà

Bảng 1.1: Một số công nghệ truyền thông quang không dây hiện tại [3] 1.2 Truyền thông quang không dây sử dụng ánh sáng nhìn thấy

Truyền thông quang ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communication – VLC) là một công nghệ truyền thông sử dụng ánh sáng trong dải nhìn thấy có tần

số từ 384THz đến 780THz Việc sử dụng ánh sáng ở tần số nhìn thấy giúp VLC vừa có thể chiếu sáng đồng thời với việc truyền dữ liệu Bên cạnh đó, ánh sáng trắng

vô hại với con người nên VLC sẽ thích hợp hơn cho các ứng dụng năng lượng cao

Trong [4] đưa ra cấu trúc cơ bản của một hệ thống VLC như ở hình 1.2

Hình 1.2: Cấu trúc một hệ thóng VLC cơ bản 1.2.1 Lịch sử phát triển của VLC

Ý tưởng sử dụng ánh sáng nhìn thấy để truyền tải thông tin thực ra không hề mới Trong suốt quá trình lịch sử, loài người đã ứng dụng ánh sáng nhìn thấy vào

HV: Nguyễn Ngọc Nam 5

việc truyền tin qua rất nhiều những phát kiến vĩ đại như những dùng lửa, ngọn hải đăng hay “Photophone”

Hiện nay, việc phát minh và sử dụng bóng đèn LED (Light Emitting Diode)

để chiếu sáng đã mang lại cơ hội để kết hợp với công nghệ VLC trong đó sử dụng LED làm 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 đổi theo 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 đi đến máy thu

Sử dụng kỹ thuật này chúng ta có thể có được tốc độ truyền dữ liệu rất lớn trong khi vẫn giữ được công dụng chiếu sáng của bóng đèn Công nghệ sử dụng ánh sáng để truyền thông tin còn được gọi với cái tên “Li-Fi” (Light Fidelity) Công nghệ VLC được mong đợi như là một giải pháp giải quyết vấn đề quá tải trong các mạng Wi-Fi hiện nay, nhưng trong tương lai, công nghệ này có thể sẽ không cung cấp nhiều băng thông cho đường lên và do đó mạng Wi-Fi hiện tại sẽ bổ sung cho vấn đề này

Quá trình phát triển của công nghệ VLC được [4] thống kê như trong bảng 1.2

2007

Thực hiện truyền dẫn VLC từ màn hình LCD sử dụng đèn nền LED tới thiết 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

HV: Nguyễn Ngọc Nam 6

nhận các tiêu chuẩn này thông qua hai văn bản JEITA CP-1221 và ITA 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

2014

Smartphone có cảm ứng VLC xuất hiện lần đầu ở CES có tốc độ truyền dữ liệu là 10Mb/s

2015 Tháng 11/2015 một công ty công nghệ là Velmenni, Estonia đã thử

nghiệm VLC đạt tốc độ lên tới 224Gb/s

Bảng 1.2: Quá trình phát triển của VLC 1.2.2 Tính chất của VLC

VLC là công nghệ truyền dữ liệu sử dụng ánh sáng nhìn thấy với bước sóng

từ 380 nm đến 780 nm Những bước sóng này nằm trong dải tần từ 384 THz đến

789 THz Phổ của ánh sáng nhìn thấy được mô tả ở hình 1.3

Các tính chất đặc trưng của công nghệ VLC gồm có: Về mặt băng thông, ta thấy băng thông của công nghệ này không bị hạn chế, băng tần có thể đạt tới xấp xỉ 400Thz Với sự phát triển của công nghệ chiếu sáng, VLC cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ cao lên tới hàng trăm Mbps; do đó, VLC thích hợp cho các hệ thống

HV: Nguyễn Ngọc Nam 7

thông tin không dây tốc độ cao Cùng với ưu điểm về tốc độ, VLC còn không bị ảnh hương bởi nhiễu điện từ EMI Vì thế, VLC là một công nghệ hấp dẫn ở những môi trường hạn chế sóng điện từ như máy bay hoặc bệnh viện Cuối cùng, do sử dụng ánh sáng nhìn thấy làm phương tiện truyền dữ liệu nên VLC có chi phí thấp hơn so với các công nghệ truyền thông phổ biến hiện nay

Hình 1.3: Phổ ánh sáng nhìn thấy

Tuy nhiên, VLC cũng tồn tại một vài nhược điểm: Thứ nhất, VLC dễ bị nhiễu từ các nguốn sáng khác như mặt trời, đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang,… Thứ hai, tầm hoạt động của VLC khá ngắn, chỉ vào khoảng vài đến vài chục mét Thứ

ba, ta chỉ có thể truyền dữ liệu bằng VLC ở nơi nào có ánh sáng

- Ứng dụng trong giao thông thông minh (Intelligent Transportation Systems – ITS): Với việc ứng dụng công nghệ VLC, các biển báo giờ đây không chỉ dùng để đưa ra chỉ dẫn mà còn là một nguồn cung cấp thông tin cho người tham gia giao thông như: vị trí, tình trạng giao thông, Không chỉ vậy, các phương tiện tham gia giao thông có thể trao đổi thông tin với nhau khi tham gia giao thong

HV: Nguyễn Ngọc Nam 8

Hình 1.4: Ứng dụng VLC trong ITS

- Nhà thông minh: Với việc tích hợp VLC vào các thiết bị chiếu sáng, không chỉ tạo nên mạng chiếu sáng thông minh mà còn tạo nên các điểm truy cập không dây giúp người dùng truy cập các dịch vụ giải trí hay internet

Hình 1.5: Các ứng dụng của hệ thống VLC trong nhà

HV: Nguyễn Ngọc Nam 9

- Hàng không: Như ta đã biết, sử dụng các thiết bị vô tuyến là không được phép khi lên máy bay – nơi mà các thiết bị chiếu sáng LEDs vẫn được phép hoạt động bình thường Do đó, VLC là công nghệ tiềm năng cung cấp cả ánh sáng lẫn các dịch vụ thông tin cho hành khách Thêm nữa, no còn giúp làm giảm giá thành và trọng lượng của máy bay

Hình 1.6: Ứng dụng VLC trong khoang máy bay

- Bệnh viện và chăm sóc sức khỏe: VLC có thể cung cấp kênh thông tin liên lạc trong bệnh viện, nơi các thiết bị vô tuyến không được sử dụng do vấn đề ảnh hưởng sức khỏe bệnh nhân Bên cạnh đó, công nghệ này có thể sử dụng

để xây dựng các hệ thống định vị quản lý bệnh nhân

- Truyền thông dưới nước: VLC có thể hộ trỡ truyền dẫn tốc độ cao dưới nước, nơi mà các công nghệ không dây vô tuyến không thể hoạt động được

1.3 So sánh VLC với một số công nghệ truyền thông khác hiện nay

Hiện nay, phần lớn các hệ thống truyền dữ liệu không dây sử dụng tần số vô tuyến (300MHz – 3GHz) cho các dịch vụ thông tin Các ưu điểm của việc truyền thông sử dụng dải tần vô tuyến là không thể phủ nhận như: chi phí khá thấp, không dây, cơ sở hạ tầng đơn giản Tuy nhiên, phổ tần của sóng vô tuyến đang ngày 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, VLC với những điểm mạnh nhất dịnh khiến nó dần trở thành một công nghệ thu hút được sự quan tâm và hứa hẹn trở thành công nghệ truyền thông không dây của tương lai; thậm chí, thay thế thông tin vô tuyến với các kênh truyền cự ly thấp Ta có thể so sánh VLC với RF trên một số phương diện sau [4]:

HV: Nguyễn Ngọc Nam 10

1.3.1 Dung lƣợng

- Băng thông lớn: Phổ tần của sóng ánh sáng nhìn thấy ước tính lớn gấp 10,000 lần 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 tập trung trong một không gian trong khi sóng vô tuyến có xu hướng thoát ra và gây 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

vô tuyến 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 rất khó khăn nhưng VLC có thể hoạt động tốt ở môi trường này

1.3.4 Bảo mật

- Ngăn chặn: Đối với môi trường trong nhà (indoor), sẽ rất khó để có thể thu thập 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

HV: Nguyễn Ngọc Nam 11

mình đang được chuyển đi đâu, do vậy không cần thiết phải có các phương

án bảo mật liên kết nào khác như khi truyền thông với sóng điện từ

Một vài so sánh giữa VLC với công nghệ truyền thông vô tuyến hiện nay được thể hiện ở bảng sau:

Bảo mật Sóng vô tuyến có thể xuyên

qua các vật cản, dễ bị thu trộm

Sóng ánh sáng không đi xuyên qua các vật cản không trong suốt, khả năng bị thu trộm thấp hơn

Băng tần Bị giới hạn và quản lý Không bị giới hạn

Nhiễu Nhiều loại nhiễu từ môi

trường và từ các nguồn vô tuyến khác

Ánh sáng mặt trời và các nguồn sáng khác

Tầm hoạt động Rộng, dùng cho cả các ứng

dụng trong nhà và ngoài trời

Hẹp, thích hợp cho các ứng dụng trong nhà

Tốc độ Đã đạt đến 150Mb/s Đã đạt đến 100Mbps trong môi

trường thí nghiệm Dịch vụ cung cấp Truyền thông Truyền thông + Chiếu sáng

Bảng 1.3: So sánh VLC và RF 1.5 Kết luận chương 1

Chương 1 đã trình bày cái nhìn tổng quan về công nghệ OWC, khả năng ứng dụng của công nghệ này đối với các ứng dụng trong nhà, nền tảng của việc áp dụng công nghệ VLC vào thực tế

Công nghệ VLC cung cấp tuyến truyền thông không dây tốc độ cao, an toàn cho người sử dụng, bảo mật thông tin với giá thành rẻ, đáp ứng yêu cầu ngày càng lớn của các doanh nghiêp, tổ chức và cá nhân Các hệ thống VLC đã và đang được

HV: Nguyễn Ngọc Nam 12

ứng dụng cho chiếu sáng kết hợp với truyền thông tốc độ cao trong nhà cho thấy nhiều ưu điểm vượt trội, có thể dần thay thế cho các công nghệ vô tuyến hiện nay Khắc phục được các hạn chế có thể đẩy mạnh sự phát triển các hệ thống VLC trong tương lai, hứa hẹn có nhiều ứng dụng hơn nữa đối với cả truyền thông quang không

dây tốc độ cao, giá rẻ trong nhà và ngoài trời cự ly ngắn

HV: Nguyễn Ngọc Nam 13

CHƯƠNG 2 - HỆ THỐNG VLC SỬ DỤNG NGUỒN SÁNG LED

Hiện nay, nhờ những tính chất phù hợp, công nghệ VLC được ứng dụng chủ yếu để cung cấp khả năng chiếu sáng và truyền dữ liệu đồng thời ở cự ly ngắn Cùng với đó là sự phát trền nhanh chóng của ngành công nghiệp LED mà công nghệ VLC

sử dụng nguồn LED đã trở nên phổ biến Chương này có nội dung chính là trình bày

về mô hình hệ thống VLC - LED trong nhà điển hình , với mục đích chính của các thiết bị là chiếu sáng và truyền thông Đồng thời, nội dung chương cũng đưa ra cái nhìn tổng quát về các tham số hiệu năng của VLC và một số vấn đề gặp phải của hệ thống VLC

2.1 Mô hình hệ thống VLC

Mô hình VLC được mô tả ở hình 2.1 với các thành phần chính là nguồn phát, kênh truyền và thiết bị thu [6]

Hình 2.1: Mô hình hệ thống VLC cơ bản

HV: Nguyễn Ngọc Nam 14

Dữ liệu thông tin được lấy ra từ các điểm truy nhập quang, trong đó các điểm truy nhập quang là các LED trắng và đồng thời có chức năng chiếu sáng Các LED trắng tại các điểm truy nhập không chỉ chiếu sáng trong phòng mà còn chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu sóng ánh sáng, và những tín hiệu này được phát trên kênh truyền đến phía thu

Các xung tín hiệu quang phát đi từ LED được thu lại tại thiết bị đầu cuối của người sử dụng, thiết bị này gồm có đi-ốt tách quang có khả năng chuyển các xung quang thành các tín hiệu điện Bộ thu quang tại thiết bị đầu cuối sử dụng một bộ lọc thông dải để lọc các ánh sáng nền xung quanh và chỉ có bước sóng mang thông tin qua được bộ lọc

2.2 Phía phát của hệ thống VLC

2.2.1 Nguồn phát quang LED

LED có cấu tạo đơn giản gồm 2 lớp bán dẫn loại n và loại p ghép với nhau LED đầu tiên chỉ phát ra ánh sáng đỏ với cường độ thấp, tuy nhiên các thế hệ LED hiện nay đã có thể phát xạ ánh sáng ở vùng ánh sáng nhìn thấy, ánh sáng hồng ngoại hoặc ánh sáng cực tím với độ sáng cao hơn rất nhiều so với các LED trước đây Các thiết bị LED có độ bền và tính ổn định cao hơn các laser bán dẫn do LED sử dụng dòng điện nhỏ và công suất quang thấp hơn nhiều so với giới hạn chịu đựng của vật liệu Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, các loại LED được sản xuất với nhiều hình dạng và kích thước khác nhau (Hình 2.2)

Hình 2.2: Các hình dạng và kích thước khác nhau của LED

Ngày nay, ngành công nghệ vật liệu cho LED đang phát triển rất mạnh mẽ, công suất của LED ngày càng tăng mà vẫn có hiệu suất, độ tin cậy đảm bảo yêu cầu

sử dụng LED công suất cao có cấu trúc bên trong rất phức tạp nhưng bề ngoài thì

HV: Nguyễn Ngọc Nam 15

vẫn như các LED thời kỳ đầu Việc phát minh và phát triển LED trắng có độ sáng tốt hơn, công suất cao, và tuổi thọ lâu hơn được xem là công nghệ chiếu sáng hứa hẹn trong tương lai và sẽ nhanh chóng thay thế các bóng đèn dây tóc, đèn huỳnh quang trước đây LED trắng được chia làm hai loại: LED đơn chip và LED đa chip [7]

Hình 2.3: Cấu tạo của LED trắng; (a)-LED đơn chip, (b)-LED đa chip

- LED đơn chip có cấu tạo gồm một LED xanh nước biển và một lớp phosphor Khi dòng điện được cung cấp tới LED, ánh sáng màu xanh nước biển sẽ được phát ra Lớp phosphor khi đó bị kích thích bởi ánh sáng xanh sẽ phát ra ánh sáng huỳnh quang vàng Sự hòa trộn giữa ánh sáng xanh từ LED

và ánh sáng vàng từ lớp phosphor tạo ra ánh sáng trắng phát ra bên ngoài LED đơn chip có giá thành rẻ, độ sáng cao, nhưng tốc độ truyền dẫn thấp, khoảng 40 Mb/s

- LED đa chip có cấu tạo gồm ba LED đồng thời phát ra ánh sáng với ba màu

cơ bản là xanh nước biển, đỏ, xanh lá cây Sự hòa trộn giữa ba màu cơ bản này tạo ra ánh sáng trắng ở đầu ra LED đa chip có thể phát ra nhiều ánh sáng với các màu khác nhau bằng cách điều chỉnh tỉ lệ hòa trộn giữa ba màu cơ bản LED đa chip có tốc độ đáp ứng nhanh hơn so với LED đơn chip do các ánh sáng của LED được phát ra đồng thời, cho tốc độ truyền dẫn cao, khoảng

100 Mb/s, phù hợp với ứng dụng OWC trong nhà

HV: Nguyễn Ngọc Nam 16

Hình 2.4: Phổ công suất của LED

Hầu hết các thiết bị chiếu sáng hiện nay sử dụng LED xanh được phủ một lớp phosphor vàng để tạo ra nguồn sáng trắng thay vì sử dụng ánh sáng trắng được tạo

ra bởi ba màu cơ bản đỏ, lục, và lam như trước đây Công suất quang P t của những

LED này thường được xác định từ phổ phát xạ S t (λ) theo công thức sau:

 λ d λ

H L

𝑆𝑡′(λ) như hình 2.4 [8]

Hầu hết LED trắng có băng thông điều chế hẹp, cỡ khoảng vài MHz vì tốc độ đáp ứng chậm của phosphor vàng Băng thông điều chế có thể được cải thiện lên 20-

25 Mhz bằng cách loại bỏ phần đáp ứng chậm trong phổ ánh sáng nhờ sử dụng bộ lọc quang [9] Do đó, chỉ khoảng 50% năng lượng ánh sáng được sử dụng

Do LED được sử dụng vừa chiếu sáng vừa truyền thông nên ta cần phải xác định hai đại lượng đó là cường độ chiếu sáng và công suất quang truyền đi Cường

độ chiếu sáng được dùng để thể hiện độ sáng của một bóng đèn LED còn công suất quang truyền dẫn chỉ ra tổng năng lượng phát xạ từ LED

Cường độ chiếu sáng được tính bằng quang thông qua mỗi góc khối theo công thức:

HV: Nguyễn Ngọc Nam 17

Φ Ω

d I d

 (2.2) Trong đó Φ là quang thông và Ω là góc không gian,Φ có thể được tính từ Φetheo công thức:

   

780

380

ΦK m V  Φe  d (2.3) Trong đó: V   là đường cong độ sáng tiêu chuẩn, 𝐾𝑚 là độ sáng tối đa vào khoảng ~680lm/W tại bước sóng 555nm

Công suất quang truyền đi 𝑃𝑡 được tính theo công thức:

Lumen (ký hiệu là lm) là đơn vị SI dùng để đo tổng lượng quang thông bức

xạ từ nguồn sáng phát ra

2.2.2 Thành phần điều chế và điều chỉnh độ sáng của LED

Như chúng ta đã biết, truyền thông bằng ánh sáng dựa trên phương pháp điều chỉnh cường độ của ánh sáng Bất kỳ sự thay đổi nào khi ta điều chế ánh sáng 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 nằm trong 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 thể thay đổi mà mắt người không thể cảm nhận được Tần số thay đổi lớn hơn 200Hz (ứng với MFTP < 5ms) được coi là an toàn với mắt người, chính vì vậy các phương pháp điều chế sử dụng trong VLC sẽ phải chú ý đến giá trị MFTP này

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 trong quá trình điều chế (Dimming Method - DS) Tức là cho phép người dùng có thể tăng giảm độ sáng đến một giới hạn nào đó trong khi quá trình truyền dẫn dữ liệu vẫn diễn ra Thành

HV: Nguyễn Ngọc Nam 18

phần điều chỉnh độ sáng LED trong hệ thống VLC có chức năng điều chỉnh mức độ chiếu sáng của nguồn sáng LED theo yêu cầu của người dùng [6] Một phương pháp phổ biến điều chỉnh độ sáng của LED thường được sử dụng đó là thay đổi công suất của LED, công suất LED càng lớn thì đèn càng sáng; và ngược lại, công suất thấp thì đèn LED sẽ tối

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

Phương pháp điều chế khóa bật tắt OOK là một phương pháp điều chế rất

phổ biến trong các hệ thống truyền dẫn quang không dây Trong hệ thống OOK, bit

1 sẽ thể hiện tín hiệu quang xuất hiện trong khi bit 0 thể hiện việc không tồn tại tín

hiệu quang trong một chu kỳ kí hiệu

Ưu điểm của OOK đó là đơn giản trong việc triển khai và điều chế/giải điều chế Tuy nhiên hương pháp điều chế này có nhược điểm đó là gây ra hiện tượng nhấp nháy do nguyên tắc điều chế tắt bật nguồn sáng theo các bit 0,1 Để khắc phục hiện tượng này, trong chuẩn 802.15.7 sử dụng mã Manchester cho OOK, bit 0 sẽ được ký hiệu bằng “10” và bit 1 sẽ được ký hiệu bằng “01” Do đó sẽ tạo ra được một bộ mã cân bằng số lượng bit 0 và 1, tránh được hiện tượng nhấp nháy

Hình 2.5: Mã Manchester cho OOK

Việc điều chỉnh độ sáng trong OOK có thể thực hiện theo hai cách, hoặc chúng

ta thay đổi lại mức độ “bật”, “tắt” đối với các ký tự (có nghĩa không cần thiết phải tắt hẳn hoàn nguồn sáng, mà chỉ cần đủ nhỏ để có thể phân định rõ ràng giữa hai mức này) hoặc các mức này vẫn giữ nguyên và thay đổi thời gian mức cao (duty-cycle) (tức thời gian tín hiệu ở mức cao/chu kỳ) bằng cách chèn thêm các ký hiệu

dư thừa (Compensation Symbols – CS) vào để điều chỉnh tăng giảm độ sáng Ví dụ

Hình 2.6 cho thấy ví dụ sử dụng các ký hiệu dư thừa để làm tăng độ sáng, 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 thêm các ký hiệu dư thừa vào để tăng thời gian mức cao (tăng bit 1) khiến cho mức sáng trung bình (Average Brightness – AB) cao hơn 50%

Hình 2.6: Tăng độ sáng bằng cách chèn thêm ký hiệu thừa CS

2.2.2.2 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 mới hơn,

là sự kết hợp của hai phương thức điều chế: điều chế vị trí xung (2 Pulse Position Modulation – 2PPM) và điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM) Trong phương pháp điều chế PPM, mỗi chu kỳ ký hiệu sẽ được chia thành M chu kỳ con Thông tin sẽ được gửi bằng cách truyền một cường độ quang khác

Hình 2.8: Dạng sóng của tín hiệu VPPM với độ rộng xung 75%

Trong VPPM sử dụng PPM với M = 2 với mục đích tránh hiện tượng nhấp 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 thể hiện bằng vị trí xung và có độ rộng xung giống nhau Do trong VPPM, độ sáng trung bình giữa bit

1 và 0 là không đổi nên tránh được hiện tượng nhấp nháy

Trong hình 2.7b, độ rộng xung có thể được điều chỉnh để cung cấp độ sáng theo yêu cầu Hình 2.8 mô tả ví dụ dạng sóng của VPPM có thể đạt được 75% độ sáng với bit 0 và 1 có độ rộng xung là 75%

2.2.2.3 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, cách thứ nhất sử dụng LED đơn chip xanh phủ phosphor Tuy nhiên, lớp phosphor này sẽ

HV: Nguyễn Ngọc Nam 21

làm chậm quá trình đáp ứng của LED Phương pháp khắc phục nhược điểm này đó

là sử dụng LED RGB và đối với loại LED này, chúng ta sẽ dùng phương pháp điều chế khóa dịch màu CSK Phương pháp điều chế CSK có thể xem gần như tương đồng với phương pháp điều chế khóa dịch tần (Frequency-Shift Keying – FSK) ở chỗ nhóm các bits sẽ 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 bốn bước sóng thích hợp (màu sắc)

sẽ được sử dụng cho một cặp bit Trong phương pháp điều chế CSK sử dụng không gian màu CIE 1931 do Ủy bạn quốc tế về chiếu sáng công bố để ánh xạ dữ liệu đầu vào thành cặp giá trị tọa độ màu (xp, yp)

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

HV: Nguyễn Ngọc Nam 22

Hình 2.9: Không gian màu CIE với hai trục xy và 7 dải màu (000 đến 110)

Hình 2.9 mô tả không gian màu CIE 1931 với hai trục tọa độ xy và đường cong phổ cùng với 7 dải màu dùng cho truyền dẫn

Một số ưu điểm của phương pháp điều chế CSK đó là:

- Màu sắc cuối cùng ở đầu ra (ví dụ: màu trắng) sẽ được đảm bảo nhờ tọa độ màu xy

- Tổng năng lượng của tất cả các nguồn sáng là không đổi (mặc dù mỗi nguồn có thể có công suất phát khác nhau)

- Không có tình trạng nhấp nháy

- CSK hỗ trợ điều chỉnh độ sáng bằng cách điều chỉnh biên độ dựa vào sự thay đổi dòng điện vào LED CSK hỗ trợ thay đổi biên độ với các bộ

HV: Nguyễn Ngọc Nam 23

chuyển đổi số/tương tự, do đó hỗ trợ các phương pháp điều chế cao hơn mang lại tốc độ dữ liệu lớn hơn

2.2.2.4 Phương pháp điều chế đa âm rời rạc DMT

Một vấn đề quan trọng khác cần quan tâm là phương pháp điều chế tín hiệu

để cải thiện hiệu năng đường truyền khuếch tán, giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu đa đường - nguyên nhân chính gây méo tín hiệu Kỹ thuật DMT (Discrete Multitone Modulation) hay còn gọi là OFDM băng gốc là một giải pháp hiệu quả để khắc phục vấn đề này

Hình 2.10: Điều chế DMT

Trong DMT, các sóng mang con trực giao gần nhau đươc sử dụng để mang thông tin Dữ liệu được chia thành các luồng song song ứng với mỗi sóng mang con Mỗi sóng mang con được điều chế bằng một kỹ thuật điều chế ở tốc độ kí hiệu thấp

để giữ cho tốc độ dữ liệu tổng tương tự như kỹ thuật điều chế sóng mang đơn thông thường có cùng băng thông Nhờ khả năng làm giảm nhiễu xuyên ký hiệu ISI mà không cần sử dụng các bộ lọc phức tạp, kỹ thuật DMT có thể coi là một giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề nhiễu đa đường trong truyền thông quang không dây, đặc biệt là với các ứng dụng trong nhà

Tuy nhiên, kỹ thuật DMT vẫn còn những hạn chế như sử dụng năng lượng không hiệu quả Bên cạnh đó, một vấn đề khác là các hệ thống quang đòi hỏi tín hiệu không âm Trong nghiên cứu [15], tác giả đã đề xuất phương án giải quyết vấn

đề này đồng thời tăng cường hiệu quả sử dụng năng lượng bằng cách sử dụng kỹ thuật điều chế một bên Tuy nhiên, hiện nay vẫn chưa có mẫu nào được thiết kế dựa trên kỹ thuật đó

Hơn nữa, nếu sử dụng kỹ thuật DMT như trong truyền thông sóng vô tuyến, tốc độ sẽ bị giới hạn do sóng mang yêu cầu cao hơn nhiều so với tín hiệu thực tế Do

HV: Nguyễn Ngọc Nam 24

đó, kỹ thuật DMT trở nên phổ biến hơn với các hệ thống truyền thông quang không dây nói chung Những nghiên cứu trong [3] về DMT để góp phần giúp cải thiện hiệu năng hệ thống VLC ở một vài tiêu chí

Tỉ số bit lỗi BER

BER là một trong số những tham số quan trọng cần quan tâm khi xét hiệu năng hệ thống VLC Có ba nguồn nhiễu cơ bản: méo đa đường, méo do cắt tín hiệu

âm và nhiễu nổ từ ánh sáng xung quanh Xét mô hình kênh AWGN dựa trên truyền thông quang không dây không có vòng hồi đáp, ta thừa nhận kênh có đáp ứng xung giới hạn (FIR) là:

    0.6  –1 – 0.4  – 2 0.2  – 3 – 0.1  – 4 0.02  – 5

(2.6) Với kỹ thuật DMT, chuỗi tín hiệu nhị phân tốc độ cao đầu vào được chia thành N luồng nhị phân song song có tốc độ thấp hơn Xét luồng thứ n (n = 0,1,2, ,

N-1), mỗi M bit được nhóm với nhau và ánh xạ vào một giá trị C n theo kỹ thuật QAM Thông thường, biến đổi Fourier nhanh ngược (IFFT) 2N điểm được sử dụng

trong máy phát DMT để điều chế một cách hiệu quả C nthành chuỗi giá trị thực vào

N kênh khác nhau Do đó, ký hiệu sau IFFT có thể biểu thị như sau:

0

2 2

1

; k 0,1, , 2N 12

k

j n N n N

2 0

1

D; k 0,1, , 2N 12

Trong đó, N P là độ dài phần chèn thêm vào đầu, D là hiệu điện thế dịch DC

để loại bỏ méo do phải cắt bỏ phần tín hiệu âm khi điều chế tín hiệu quang

Tương tự, ở phía thu ta dịch tín hiệu y[k] nhận được về mức thiên áp không

và loại bỏ phần thêm vào Tín hiệu sau FFT là:

; n 0,1, , 2N 1

P P

P

k N

N N

j n N n

HV: Nguyễn Ngọc Nam 25

Hình 2.11 cho thấy mặc dù OOK có thể cho kết quả tốt hơn khi SNR nhỏ, với SNR lớn hơn 25 dB thì OOK không thể cải thiện BER thêm được do nhiễu xuyên

ký hiệu ISI từ méo đa đường gây ra Mặt khác, DMT dễ bị tác động của nhiễu hơn

so với OOK khi SNR nhỏ Đó là bởi thay vì tín hiệu chỉ có hai mức như OOK, cấu trúc tín hiệu nhiều mức của DMT có khoảng cách nhỏ nhất giữa các mức ngắn hơn

Do đó, mỗi ký hiệu mang thông tin của nhiều bit nếu bị lỗi sẽ dẫn đến sai lệch nhiều hơn so với tín hiệu ban đầu Tuy nhiên, với SNR cao, trong trường hợp này là khoảng 32 dB thì DMT lại thể hiện hiệu năng BER tốt hơn so với OOK

Hình 2.11: So sánh BER

Do đó, về mặt lý thuyết, bằng cách chọn giá trị bù DC đủ lớn và phần tiền tố

đủ dài, ta có thể giảm BER của DMT tới gần mức 0 khi tăng SNR Mặt khác, không khó để đạt được giá trị SNR tốt khi sử dụng bộ lọc để loại bỏ nhiễu từ nguồn ánh sáng xung quanh ở phía thu

Dung lượng kênh

Đánh giá dung lượng kênh cũng góp phần chứng tỏ kỹ thuật DMT giúp cải thiện hiệu năng kênh Xét một đường truyền LoS trong một mô hình trong nhà

HV: Nguyễn Ngọc Nam 26

Tương tự như trong các hệ thống truyền thông vô tuyến, hiệu ứng truyền đa đường cũng rất quan trọng đối với các mạng quang không dây Tuy nhiên, có một vài điểm khác biệt cần lưu ý

Đầu tiên, hiệu ứng fading do truyền đa đường không phải là vấn đề chính trong truyền thông quang không dây Điều này là do máy thu quang có thể thu được một khoảng rộng bước sóng ánh sáng, cung cấp một mức độ phân tập không gian cố hữu tại phía thu, giảm thiểu ảnh hưởng xấu của fading đến chất lượng tín hiệu

Vấn đề thứ hai đó là sự suy giảm nhất thời của tín hiệu thu do méo đa đường Hiện tượng này thường được mô hình hóa như một hệ thống thời gian tuyến tính bất biến bởi các tính chất của kênh thay đổi một cách từ từ qua thời gian của rất nhiều

ký hiệu [23] Hơn nữa, trên thực tế, khi có rất nhiều đường truyền LoS (như trong một văn phòng với rất nhiều đèn LED) thì méo đa đường hầu như không còn là vấn

đề đáng ngại nữa và kênh có thể được coi như phẳng đối với băng thông sử dụng [12]

Xét một hệ thống kênh truyền IM/DD bao gồm một LED đóng vai trò nguồn phát và một photon detector là phía thu Kênh truyền có thể được mô hình hóa với công suất tín hiệu vào X(t), cường độ dòng photon đầu ra Y(t) và đáp ứng xung của kênh truyền h(t) [16]

Để đơn giản hóa việc tính toán, và cũng không mất tính tổng quát ta đặt h(t)

= 1, tín hiệu ra là:

y(t) = x(t) + n(t) (2.10) Nếu ta coi H() là hàm entropy tương ứng của các tín hiệu, f y (y) là hàm mật độ

phân bố (PDF) của mẫu tín hiệu thu Từ đó, dung lượng kênh phụ thuộc vào phân bố của tín hiệu thu, được xác định bởi tín hiệu đầu vào Từ lý thuyết thông tin ta biết

dung lượng kênh được xác định bởi: C = max I(x,y)

Trong đó thành phần 2

2

có phân bố Gaussian Tuy nhiên, trong truyền thông quang không dây sử dụng kỹ thuật IM/DD, tín hiệu cần thỏa mãn điều kiện không âm, tức là phía phát phải cắt bỏ tất cả các tín hiệu âm về 0 Phân bố tín hiệu 0 sẽ chiếm một nửa khả năng, một nửa còn lại là của phân bố Gaussian Từ điều kiện giới hạn năng lượng ta có:

2 2

2

1

12

x x

C) DMT có bù DC

Bù DC giúp giảm bớt số lượng tín hiệu bị cắt, từ đó giảm méo ở phía thu Khi điện thế bù là 0.5, từ điều kiện:

2 2

( 0.5) 2

1

1

22

0.51

Từ đặc tính của nhiễu Gaussian ta có:

10

SNR n

  