TÌM HIỂU và CHẾ tạo THIẾT bị TRUYÊN TIN BẰNG ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN

TÌM HIỂU và CHẾ tạo THIẾT bị TRUYÊN TIN BẰNG ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN ............ TÌM HIỂU và CHẾ tạo THIẾT bị TRUYÊN TIN BẰNG ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN ............ TÌM HIỂU và CHẾ tạo THIẾT bị TRUYÊN TIN BẰNG ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN ............ TÌM HIỂU và CHẾ tạo THIẾT bị TRUYÊN TIN BẰNG ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN ............ TÌM HIỂU và CHẾ tạo THIẾT bị TRUYÊN TIN BẰNG ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN ............

TRUYỀN TIN BẰNG ÁNH SÁNG

KHẢ KIẾN

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT IX

CHƯƠNG 1 TỐNG QUAN VỀ ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN 1

1.1 GIỚI THIỆU VỀ ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN 1

1.2 MỘT SỐ ỨNG DỤNG ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN TRONG TRUYỀN TIN 6

1.2.1 Mô hình thiết bị đầu cuối ứng dụng VLC 6

1.2.2 Một số mô hình ứng dụng đang được nghiên cứu và thực hiện 7

1.3 TIỀM NĂNG CỦA ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN TRONG TRUYỀN TIN 11

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU LINH KIỆN 14

2.1 THÀNH PHẦN PHÁT TRONG VLC 14

2.2 THÀNH PHẦN THU TRONG HỆ THỐNG VLC 15

2.3 NHIỄU TRONG VLC 18

2.3.1 Nhiễu nhiệt 18

2.3.2 Nhiễu nổ 18

2.3.3 Các yếu tố khác ảnh hưởng đến hệ thống VLC 19

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 20

3.1 THIẾT KẾ CHO THÍ NGHIỆM 20

3.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 20

3.2.1 Phương pháp điều chế khóa bật tắt On-Off Keying (OOK) 20

3.2.2 Giao thức USB 21

3.2.3 Phần mềm kết nối 21

3.3 MẠCH PHÁT VÀ THU 22

3.3.1 Mạch phát 22

3.3.2 Mạch thu 23

3.4 THỬ NGHIỆM 24

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 27

4.1 NHẬN XÉT 27

HÌNH 1-2: BÊN PHÁT CỦA PHOTOPHONE 2

HÌNH 1-3: BÊN THU 3

HÌNH 1-4: TRUYỀN THÔNG VLC SỬ DỤNG BÓNG ĐÈN LED 4

HÌNH 1-5: MÔ HÌNH CÁC THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI VỚI MÔI TRƯỜNG TRONG NHÀ 6

HÌNH 1-6: MÔ HÌNH TRUYỀN DẪN VỚI MÔI TRƯỜNG NGOÀI TRỜI 7

HÌNH 1-7: MÔ HÌNH DỰ ÁN OMEGA 8

HÌNH 1-8: MÔ HÌNH HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN VLC CỦA VIỆN TRUYỀN THÔNG FRAUNHOFER 8

HÌNH 1-9: MÔ HÌNH HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN MIMO CỦA ĐẠI HỌC OXFORD (2008) 9

HÌNH 1-10: MÔ HÌNH TRUYỀN DẪN CỦA ĐẠI HỌC NAGOYA 10

HÌNH 1-11: DẢI TẦN CỦA SÓNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY 11

HÌNH 1-12: MÔ HÌNH SỬ DỤNG CHUẨN 802.15.7 13

HÌNH 1-13: CÔNG NGHỆ LỚP MAC 13

HÌNH 1-14: ĐA TRUY NHẬP BẰNG TDMA 13

HÌNH 2-1: MÔ HÌNH THÀNH PHẦN PHÁT TRONG HỆ THỐNG VLC 14

HÌNH 2-2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA LED 15

HÌNH 2-3: CÁC BƯỚC THU TÍN HIỆU VLC 15

HÌNH 2-4: CẤU TRÚC DIODE PIN 16

HÌNH 2-5: CẤU TRÚC DIODE THÁC APD 17

HÌNH 3-1: THIẾT KẾ SỬ DỤNG GIAO TIẾP BẰNG CỔNG USB 20

HÌNH 3-2: CƠ CHẾ ON-OFF-KEYING (OOK) 20

HÌNH 3-3: MODULE FT232RL USB UART 21

HÌNH 3-4: TÍN HIỆU CHUẨN UART .21

HÌNH 3-5: PHẦN MỀM TERMINAL 21

HÌNH 3-6: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ PHÁT 22

HÌNH 3-7: HÌNH MẠCH PHÁT 22

HÌNH 3-11: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 25 HÌNH 3-12: LỖI TRUYỀN TIN Ở KHOẢNG CÁCH 3 CM 26

BẢNG 1-2: MỘT VÀI THÔNG SỐ VỀ HỆ THỐNG MIMO CỦA ĐẠI HỌC OXFORD (2008) 9 BẢNG 3-1: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM KHI TRUYỀN TIN 24

APD Avalanche Photodiode

LED Light Emitting Diode

Li-Fi Light Fidelity

OOK On-Off Keying

VLC Visible Light Communication

PPM Pulse Position Modulation

MIMO Multiple Input Multiple Output

LOS Line Of Sight

MAC Media Access Control

TDMA Time Division Multiple Access

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

PHY Physical

NRZ None Return To Zero

CMOS Comlementary Metal Oxide Semiconductor

FOV Field Of View

HD High Definition

EU European Union

FPS Frame Per Second

JEITA Japan Electronics And Information Technology Industries Association

CHƯƠNG 1 TỐNG QUAN VỀ ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN

Hiện nay việc sử dụng sóng vô tuyến để truyền 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 tưởngrất mới và hiện công nghệ truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy (Visible LightCommunication) vẫn đang được các nhà khoa học nỗ lực nghiên cứu và phát triển

1.1 Giới thiệu về ánh sáng khả kiến

Visible Light Communication (VLC): Truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy sửdụng 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 hiệusóng điện từ (Radio Frequency – RF) để truyền dữ liệu

Ánh sáng nhìn thấy được (Visible Light) là dạng sóng với các bước sóng nằm trongkhoảng mắt người có thể nhận biết được Các bước sóng này nằm trong khoảng từ380nm 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 [2], [14]

Nỗ lực đầu tiên trong việc sử dụng ánh sáng nhìn thấy để truyền thông tin sau nàythuộc 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 1.1 và 1.2 dưới đây:

Bên phát:

Ánh sáng sẽ được hội tụ qua thấu kính, đến phía ống nói, tại phần ống này gắn một chiếc gương mảnh, có thể thay đổi cường độ của ánh sáng chiếu đến theo độ rung của cổ họng khi phát âm và nhờ đó, thông tin được đã được điều chế vào ánh sáng

và truyền đến phía thu

Hình 1-2: Bên phát của photophone [8]

Bên thu:

Vấn đề ở phía thu là làm thế nào để có thể thu được thông tin nhờ vào sự thay đổicường 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 rungcủa ống nghe và phát ra âm thanh đến tai của người nghe Với thiết bị này, âm thanh

có thể truyền đi khoảng 200m với ánh sáng mặt trời và ngắn hơn với ánh sáng từbóng đèn

Hình 1-3: Bên thu [8]

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 sẽphát ra các dòng photon ánh sáng mà chúng ta có thể quan sát được (ánh sáng nhìnthấy) Nếu chúng ta thay đổi dòng điện, cường độ sáng của bóng đèn tương tự cũngthay đổi theo và sự thay đổi này diễn ra ở tốc độ rất cao mà mắt thường không nhậnbiết được Từ đó, thông tin có thể được điều chế vào trong ánh sáng của bóng đèn

và truyền đi đến máy thu

Hình 1-4: Truyền thông VLC sử dụng bóng đèn LED [10]

Sử dụng kỹ thuật này chúng ta có thể có được tốc độ truyền dữ liệu rất lớn trong khivẫn giữ được công dụng chiếu sáng của bóng đèn Công nghệ sử dụng ánh sáng đểtruyền thông tin còn được gọi với cái tên “Li-Fi” (Light Fidelity) Chu trình pháttriển của công nghệ VLC được thống kê trong bảng 1.1.

Bảng 1-1: Chu trình phát triển của công nghệ VLC [13]

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

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 VLCHiệp hội công nghệ thông tin và điện tử Nhật Bản – JEITA đã chấpnhận các tiêu chuẩn này thông qua hai văn bản JEITA CP-1221 vàJEITA 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 Thựchiện 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 tiêu chuẩn cho các công nghệ sử dụng VLC bởi IEEE

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

2011 Trình diễn hệ thống truyền dẫn VLC - OFDM với tốc độ 124Mb/s, sử

dụng LED trắng phủ phosphor, đại học Edinburgh, Anh

1.2 Một số ứng dụng ánh sáng khả kiến trong truyền tin

1.2.1 Mô hình thiết bị đầu cuối ứng dụng VLC

Hệ thống VLC có thể được triển khai đối với môi trường trong nhà hoặc ngoài trời

Đối với môi trường trong nhà, mô hình truyền dẫn như sau:

Hình 1-5: Mô hình các thiết bị đầu cuối với môi trường trong nhà [13]

Với mỗi liên kết đầu cuối khác nhau, chúng ta có thể ứng dụng triển khai các dịch

vụ khác nhau ứng với các tốc độ truyền dẫn khác nhau như truyền dữ liệu, chia sẻnội dung, truyền video, định vị, điều khiển

Đối với môi trường truyền dẫn ngoài trời, có thể thiết kế mô hình hệ thống truyềndẫn gồm các cột đèn chiếu sáng, đèn giao thông, màn hình quảng cáo truyền thôngvới các phương tiện giao thông cũng như các thiết bị di động

Hình 1-6: Mô hình truyền dẫn với môi trường ngoài trời [13]

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

Hệ thống truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao trong nhà:

Một trong những dự án quan trọng nhất ứng dụng công nghệ VLC với mục đích xâydựng mạng truy nhập tốc độ cao (Gb/s) chính là dự án OMEGA Công nghệ VLC sẽđược kết hợp với công nghệ truyền dẫn bằng đường điện PLC, Wifi, Hồng ngoại đểcung cấp mạng truy nhập không dây mà không cần thêm bất cứ kết nối nào khác.Được tài trợ bởi EU, dự án này được viện truyền thông Fraunhofer, công ty Siemenscùng France Telecom nghiên cứu thực hiện

Năm 2008, họ đã thực hiện truyền dẫn thành công với hệ thống thu phát sử dụngLED đơn chip phủ phosphor và Diode PIN, điều chế OOK, khoảng cách truyền dẫnngắn (1cm) và cường độ chiếu sáng 700lux, tốc độ đạt được là 40Mb/s

Hình 1-7: Mô hình dự án OMEGA [13]

Năm 2009, hệ thống được cải thiện, khoảng cách truyền dẫn tăng lên 5m, cường độsáng nằm trong dải chuẩn dành cho môi trường văn phòng, tốc độ đạt 125Mb/s.Năm 2010, với việc sử dụng Diode APD, tốc độ đạt được là 230 Mb/s và lên đến500Mb/s, tốc độ có thể nói là nhanh nhất vào cuối năm 2010

Hình 1-8: Mô hình hệ thống truyền dẫn VLC của viện truyền thông Fraunhofer [13]

Hệ thống truyền dẫn VLC Multiple-input Multiple-Output (MIMO):

Truyền dẫn MIMO có thể triển khai bằng cách sử dụng bảng gắn nhiều LED, khi tínhiệu truyền đến bộ tập trung quang, bộ này sẽ chia tín hiệu đến các Diode tươngứng Hệ thống truyền dẫn VLC MIMO được triển khai đầu tiên ở trường đại họcOxford Năm 2008, hệ thống đầu tiên được thiết lập tsử dụng 16 đèn LED trắng(4x4) với tốc độ đạt được là 40Mb/s Năm 2009, hệ thống tiếp tục được cải thiện đạttốc độ 100Mb/s và với việc sử dụng hệ thống phát gồm 2 LED phát, 3 Diode thu kếthợp với phương pháp OFDM và MIMO đã truyền được 9 kênh với tốc độ là230Mb/s qua khoảng cách 1m.

Bảng 1-2: Một vài thông số về hệ thống MIMO của đại học Oxford (2008) [14]

Bộ lọc xanh

LLOS = 2m

Hình 1-9: Mô hình hệ thống truyền dẫn MIMO của đại học Oxford (2008) [13]

Truyền dẫn giữa các người dùng di động bằng camera với chip cảm biến hình ảnh:

Ý tưởng của mô hình này đó là tín hiệu sẽ được phát bằng đèn giao thông hoặc cácbảng quảng cáo, các phương tiện giao thông hoặc người sử dụng di chuyển sẽ sửdụng camera (vốn được tích hợp trên rất nhiều thiết bị điện tử cầm tay) để thu nhậntín hiệu Các ứng dụng có thể được triển khai như broadcast thông tin, định vị, dẫnđường

Nhật Bản là nước đi đầu trong hướng nghiên cứu này, hướng nghiên cứu tập trungvào môi trường ngoài trời và thay vì sử dụng Diode tách quang, họ sử dụng chipcảm biến hình ảnh do các ưu điểm như khoảng cách truyền dẫn xa (lên đến ~km),nhận và xử lý nhiều tín hiệu độc lập cùng lúc mà không có xuyên nhiễu, được tíchhợp nhiều trên đa số các thiết bị điện tử

Đại học Nagoya là nơi đầu tiên triển khai mô hình ứng dụng truyền dẫn dữ liệu từLED đến phương tiện xe hơi đang di chuyển (2005)

Hình 1-10: Mô hình truyền dẫn của đại học Nagoya [13]

1.3 Tiềm năng của ánh sáng khả kiến trong truyền tin

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

Dung lượng

Hình 1-11: Dải tần của sóng ánh sáng nhìn thấy [2], [14]

 Băng thông lớn: phổ tần của sóng ánh sáng nhìn thấy ước tính lớn gấp10,000 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 WiFi 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 nhiễuthấp,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

Hiệu năng

 Chi phí thấp: công nghệ VLC yêu cầu ít thành phần hơn so với công nghệ sửdụng sóng điện từ Sử dụng đèn LED để chiếu sáng thực sự rất hiệu quả(bóng đèn LED hiện nay tiết kiệm hơn 50% điện năng so với bóng thôngthường) và năng lượng dùng cho truyền dẫn dữ liệu là không đáng kể

 Truyền thông dưới nước: việc truyền thông dưới nước với sóng vô tuyếnrất khó khăn nhưng VLC có thể hoạt động tốt ở môi trường này

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 vậtcản 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

Công nghệ truyền thông bằng ánh sáng VLC nói riêng và công nghệ truyền thôngquang không dây nói chung đang ngày càng chứng tỏ được ưu điểm và sức mạnhcủa mình trong lĩnh vực ứng dụng Mặc dù vậy, sẽ còn mất nhiều thời gian để côngnghệ VLC có thể thực sự được phổ biến do hiện nay vẫn chưa xây dựng được đầy

đủ bộ tiêu chuẩn về giao thức cũng như cơ sở hạ tầng phục vụ cho việc triển khai

Hy vọng trong tương lai gần, công nghệ này sẽ được ứng dụng rộng rãi và khắcphục các nhược điểm còn tồn tại của các công nghệ cũ

Hình 1-14: Đa truy nhập bằng TDMA [11]

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU LINH KIỆN

Trong chương trước, chúng ta đã có một cái nhìn tổng quan về công nghệ truyềnthông bằng ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communication) Trong chương này

sẽ trình bày một cách chi tiết về từng thành phần cụ thể trong hệ thống VLC Baogồm ba phần chính: thành phần phát, thành phần thu

để truyền dẫn thông tin trong hệ thống VLC

Nguyên lý hoạt động cơ bản của LED như sau:

Khối bán dẫn loại p chứa nhiều loại lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khighép với khối bán dẫn n (Chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướngchuyển động khuyếch tán sang khối n Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử(điện tích âm) từ khối n chuyển sang Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗtrống và dư thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dưthừa lỗ trống) Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút

và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hường kết hợp với nhau tạo thành các