Phân tích ảnh hưởng của góc truyền, đường phản xạ và sự phân bố nguồn sáng trong truyền thông ánh sáng khả kiến dùng LED

Bài viết đề xuất giải quyết ba vấn đề. Thứ nhất phân bố công suất nguồn sáng, thứ hai phân tích ảnh hưởng của góc truyền, cuối cùng là tính toán nguồn phản xạ ảnh hưởng lên năng lượng thu của photodiode. Kết quả mô phỏng cho thấy năng lượng thu của máy thu bị tác động rất lớn bởi góc truyền và sự phản xạ ánh sáng, ngoài ra nếu phân bố nguồn sáng hợp lí sẽ cải thiện đáng kể năng lượng thu. Mời các bạn cùng tham khảo!

Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thơng Tin (ECIT 2015) Phân Tích Ảnh Hưởng Của Góc Truyền, Đường Phản Xạ Và Sự Phân Bố Nguồn Sáng Trong Truyền Thông Ánh Sáng Khả Kiến Dùng LED Nguyễn Thanh Sơn Trần Phú Cường Trường Đại học Lạc Hồng, Biên Hịa, Đồng Nai E-mail: nguyenthanhson@lhu.edu.vn, tphucuong07@gmail.com Tóm tắt — Những năm gần gia tăng đáng kể nghiên cứu tập trung khai thác ứng dụng đèn Led dùng chung cho hai mục đích chiếu sáng truyền thông tốc độ cao Tuy nhiên, hai hạn chế lớn sử dụng ánh sáng Led truyền thông khoảng cách truyền ngắn mơi trường truyền phải theo đường nhìn thấy (Line-of-sight) Trong nghiên cứu này, đề xuất giải ba vấn đề Thứ phân bố công suất nguồn sáng, thứ hai phân tích ảnh hưởng góc truyền, cuối tính tốn nguồn phản xạ ảnh hưởng lên lượng thu photodiode Kết mô cho thấy lượng thu máy thu bị tác động lớn góc truyền phản xạ ánh sáng, ngồi phân bố nguồn sáng hợp lí cải thiện đáng kể lượng thu Hơn nữa, kết nghiên cứu làm sở tảng vững cho nghiên cứu nhằm nâng cao độ tin cậy khả ứng dụng truyền thông dùng đèn Led tương lai đèn Led nhấp nháy thật nhanh để truyền liệu tạo hệ thống kết nối mạng không dây tốc độ cao Theo nghiên cứu thực viện Fraunhofer Đức, công nghệ truyền liệu với tốc độ lên đến Gigabit/giây Khái niệm hệ thống truyền thông ánh sáng khả kiến (Visible Light Communications, VLC) hay gọi LiFi thu hút ý nhiều nhà nghiên cứu, chủ yếu nhờ vào tính phổ biến công nghệ đèn Led Gầy đây, nghiên cứu VLC bắt đầu thực Nhật Phòng thí nghiệm Nakagawa đại học Keio xuất nhiều báo nghiên cứu VLC, cụ thể phân tích VLC [1], kết hợp VLC với truyền thông đường dây điện [2] Ở Hàn Quốc công bố nhiều nghiên cứu kết đo cho điều chế băng thông Led [3] Nghiên cứu đại học Oxford vấn đề điều chế băng thông Led ứng dụng cho VLC công bố [4] Tuy nhiên tất nghiên cứu gặp phải vấn đề khó khăn chung cần giải khoảng cách truyền thơng đạt cịn hạn chế, độ tin cậy truyền thông chưa cao đầu phát phía thu phải truyền theo đường nhìn thấy (Line-ofsight) Một giải pháp để giải hai khó khăn làm để tập trung lượng thu tối ưu máy thu Nghiên cứu này, thực tính tốn chi tiết mơ nhiều trường hợp phân bố khác đèn Led, phân tích ảnh hưởng góc truyền, tính toán đường phản xạ ảnh hưởng lên lượng thu Photo diode áp dụng cho văn phòng làm việc tiêu chuẩn Kết chứng minh phân bố hợp lí nguồn sáng đèn Led thu lượng tối ưu Đồng thời cho thấy rõ yếu tố quan trọng làm ảnh hưởng đến phân bố công suất thu máy thu Từ khóa— Phản xạ ánh sáng; ánh sáng khả kiến; phân bố nguồn sáng; truyền thông ánh sáng I GIỚI THIỆU Hiện nay, lượng điện dùng chiếu sáng Việt Nam chiếm khoảng 25% tăng cao năm tới Trong nguồn cung cấp lượng ngày khang hiếm, cạn kiệt đáp ứng đủ yêu cầu Để khắc phục, giới nay, Mỹ nước Nhật, Úc, Hàn Quốc, Trung Quốc sử dụng đèn Led thay loại đèn chiếu sáng truyền thống Với việc thay này, với sách quản lý hiệu quả, kết thu giảm 50% lượng điện dùng cho chiếu sáng Chính điều đó, mà sử dụng đèn Led ngày phổ biến giới hứa hẹn nhiều ứng dụng tương lai Việt Nam Đèn thắp sáng dùng Led có ưu điểm độ bền cao khơng sợ đứt tóc hay vỡ bóng, thời gian sử dụng cao tuổi thọ Led đến khoảng 100.000 giờ, khả tiêu thụ điện hiệu suất phát sáng Led cao, mềm dẻo sử dụng led có kích thước nhỏ nên dễ ghép thành đèn hay mảng phát sáng theo cấu hình bất kỳ, xạ nhiệt thấp tổn hao lượng xạ nhiễu Led bé Ngồi tính trội kể trên, đèn Led cịn có khả thú vị khác mà thời gian gần nhà nghiên cứu giới quan tâm điều khiển ISBN: 978-604-67-0635-9 Bố cục báo trình bày cụ thể theo thứ thự sau: Mơ hình tính tốn phân bố nguồn sáng trình bày phần II, phần III phân tích ảnh hưởng góc truyền, đường phản xạ, phần IV thực phân tích mơ Cuối kết luận đưa phần thứ V 415 415 Khuếch đại Xử lí Thảo Quốc Gia2015 2015về vềĐiện Điện Tử, Tử,Truyền Truyền Thông Thông Thông TinTin (ECIT 2015) HộiHội Thảo Quốc Gia vàCông CôngNghệ Nghệ Thông (ECIT 2015) Dữ liệu phát Dữ liệu thu Điều khiển Hình Cấu trúc hệ thống VLC II 555 nm Cơng suất phát quang Pt tính cơng thức: MƠ HÌNH TỐN CỦA HỆ THỐNG VLC A Mơ hình hệ thống VLC tiêu biểu Cấu trúc hệ thống VLC trình bày hình Hệ thống VLC phát tín hiệu số cách điều khiển thay đổi liên tục ON/OFF đèn LED thu liệu thông qua photodiode Bộ phận phát bao gồm khối liệu số, khối điều khiển, khối đèn LED Khối đèn LED điều khiển đóng ngắt với thời gian ngắn (vài chục nano-giây), vừa chuyển đổi liệu tốc độ cao, vừa đảm bảo chiếu sáng Dữ liệu số cần phát sau điều chế, gửi đến mạch điều khiển để điều khiển LED phát liệu Ở máy thu, tín hiệu ánh sáng nhận thơng photo diode, tín hiệu đưa đến khối khuếch khuyếch đại biên độ tín hiệu, loại bỏ tạp nhiễu, sau đưa đến khối giải điều chế xử lí để khơi phục lại liệu ban đầu  Pt  e d d   ( m  1) A cosm ( )T ( ) g ( ) cos( ),      s H (0)   2 d 0 ,    (5)  góc tới trục vng góc với bề mặt thu, Ts ( ) g ( ) độ lợi lọc tổng hợp ánh sáng,  FOV (field of view) máy thu, d khoảng cách Led đến photodiode, A vùng hoạt động tích cực thu Photodiode, m hệ số phản xạ Lambertian Hệ số phản xạ Lambertian m xác định bởi: m  ln ln(cos 1/2 ) xem hình Độ lợi tổng hợp quang máy thu cho bởi:  n2 ,  g ( )   sin  0,  (2)     n hệ số phản xạ thu photodiode [6]: C Mơ hình VLC với đa nguồn sáng (multisource) 380 (3) Những nghiên cứu trước hệ thống VLC áp dụng nguồn sáng đơn (single-source) Tuy nhiên, để đảm bảo chiếu sáng, hầu hết phòng sử dụng nhiều nguồn sáng Do nghiên cứu dựa nguồn sáng khơng phù hợp thực tế V ( ) : đường cong độ sáng tiêu chuẩn, K m : cường độ sáng nhìn thấy lớn nhất, với K m (7)  >  : cường độ sáng,  : góc khơng gian  tính tốn từ dịng lượng  e trình bày   K m  V (  ) e (  ) d  (6)  1/2 bán góc cường độ sáng Led (FWHM) trường truyền LOS Cường độ sáng cho bởi: 780 (4) tính theo cơng thức: Pt : cơng suất phát quang, H (0) LOS : path loss trong môi d photodiode Theo [6] trình bày hình H (0) LOS Do Led dùng cho hai mục đích chiếu sáng truyền thơng, nên cần định nghĩa hai thông số cường độ sáng công suất phát quang Cường độ sáng dùng để mô tả độ sáng Led, công suất phát quang tổng số lượng tỏa từ đèn Led Từ mơ hình VLC hình 1, tham số cho hình tham khảo [5,6], ta có cơng suất thu máy thu là: P Pt  H (0) LOS (1) r I   2  max ,  : xác định từ đặc tuyến độ nhạy B Phân bố công suất thu hệ thống VLC với nguồn sáng (single-source) d  max   683 lm/W chiều bước sóng 416 416 Thảo Quốc Gia 2015vềvềĐiện ĐiệnTử, Tử,Truyền TruyềnThông Thông TinTin (ECIT 2015) HộiHội Thảo Quốc Gia 2015 Công CôngNghệ NghệThông Thông (ECIT 2015) III TÍNH TỐN ẢNH HƯỞNG CỦA ĐƯỜNG PHẢN XẠ Theo nghiên cứu [6, 8] cường độ đường phản xạ ánh sáng Led phụ thuộc vào bước sóng vật liệu để xây tường Cũng theo [7] xem xét trường hợp có đường phản xạ từ tường trình bày hình Cơng suất thu máy thu tổng độ lợi DC đường đến trực tiếp H d (0) đường phản xạ H ref (0) :  Pr N LEDS    H d (0)   Reflections   PdH (0)  t d (9) Độ lợi DC đường phản xạ thứ cho theo [7] là:  Ar ( m  1)  dA cos m ( ) cos( ) r ir wall  2( d d ) 2  H ref (0)   cos(  ir )Ts ( ) g ( ) cos( r ),   r      r   0, Hình Các thơng số hệ thống VLC Cáp quang (10) d : khoảng cách đèn Led điểm phản xạ, d : khoảng cách điểm phản xạ bề mặt máy thu,  : hệ số phản xạ, dAwall : khu vực phản xạ vùng nhỏ, r : góc xạ đến điểm phản xạ,  ir  ir góc xạ đến điểm phản xạ góc xạ đến máy thu,  r góc tới từ bề mặt phản xạ Chi tiết thơng số Hình Cấu trúc VLC dãy Led (multisource) Trong báo này, đề xuất mở rộng nghiên cứu cho cấu trúc VLC dãy Led (multisource) áp dụng cho phịng làm việc tiêu chuẩn trình bày hình Trong đề xuất này, Led xem điểm nguồn sáng đồ thị xạ Led hàm góc khối  khơng gian bậc Khi  xác định sau: f ( ) f ALED ( x, y , d )  (8) 2 x  y d trình bày hình IV PHÂN TÍCH VÀ MƠ PHỎNG A Ảnh hưởng single-source multisource tới công suất thu VLC Để phân tích ảnh hưởng single-source multisource tác động lên phân bố công suất quang thu máy thu hệ thống VLC trình bày tính tốn phần Trong nghiên cứu này, thực mô sử dụng phần mềm Matlab, áp dụng cho phịng tiêu chuẩn trình bày hình 3, mơ hình ứng dụng mơi trường truyền LOS (bỏ qua ảnh hưởng nhiễu phản xạ) Thông số thiết lập cho mô trình bày chi tiết bảng Hình 5a trình bày chiếu sáng sử dụng nguồn sáng đơn với bán góc  1/2 700 thơng lượng sáng cực đại trung tâm Nguồn sáng 568.10 lx Đối với chiếu sáng đa nguồn, mô sử dụng nguồn sáng với bán góc  1/2 700 thơng lượng sáng khoảng 315-910 lx có giá trị trung bình 717 lx trình bày hình 5b Kết mô cho thấy máy thu hầu hết công suất quang thu cho hai trường hợp có phân bố đồng trung tâm ứng với công suất cực đại 2.3 dBm cực Hình Cấu trúc VLC với đường phản xạ 417 417 Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) BẢNG THƠNG SỐ MƠ PHỎNG CỦA HỆ THỐNG VLC Thơng số Phịng Kích thước Nguồn phát Hệ số phản xạ Vị trí (4 Led) Giá trị 553 m 0.8 (1.25, 1.25, 3), (1.25, 3.75, 3), (3.75, 1.25, 3), (3.75, 3.75, 3) (2.5, 2.5, 3) Vị trí (1 Led)  1/2 Máy thu Công suất phát/Led Số Led/dãy Cường độ sáng trung tâm Máy thu đặt cách sàn nhà 70 20mW 60  60 300-910 lx 0.85m cm A  (FOV) 60 t 0.5 ns tiểu -2.3 dBm Tuy nhiên, sử dụng nguồn sáng phân bố công suất phủ rộng đáp ứng độ tin cậy truyền thông tốt Cường độ sáng (lx) (b) Hình (a) Phân bố cơng suất ứng với Led (single-source); (b) Phân bố công suất ứng với Led (Multisource) B Ảnh hưởng bán góc (FWHM) tới phân bố cơng suất máy thu Trong thí nghiệm thứ hai, Để phân tích ảnh hưởng bán góc (FWHM) tới phân bố công suất thu máy thu, thay đổi giá trị bán góc  1/2 700 12.50 áp dụng cho trường hợp nguồn sáng Kết thu hình 6a 6b cho thấy phân bố công suất không đồng trường hợp  1/2 12.50 Hơn hình 6b rõ cơng suất quang thu có thay đổi lớn phân bố giá trị max khoảng 35 dB, dẫn đến SNR cao vài vùng tín hiệu bị gián đoạn vài vùng Hình (a) Phân bố công suất ứng với  1/2 70 ; (b) Phân bố công suất ứng với  1/2 12.50 418 418 Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) C Ảnh hưởng đường phản xạ tới phân bố công suất máy thu [6] Để phân tích ảnh hưởng phản xạ đến phân bố công suất thu máy thu Trong mô thứ này, sử dụng mơ trình bày hình 4, có xem xét đến tác động đường phản xạ Phân bố công suất thu máy thu tổng công suất tạo đường trực tiếp đường phản xạ từ tường phịng Mơ hình rõ ràng cho thấy cơng suất thu máy thu có giá trị khoảng -2.4 đến 2.8 dBm Kết chứng minh cơng suất trung bình thu có xem xét yếu tố đường phản xạ lớn 0.6 dBm so với công suất tạo đường trực tiếp trình bày hình [7] [8] Hình Phân bố cơng suất máy thu với phản xạ V KẾT LUẬN Hệ thống VLC phát liệu cách điều khiển Led nhận liệu thơng qua photodiode có nhiều ưu điểm, đầy tiềm cho hệ truyền thông không dây tốc độ cao Tuy nhiên bên cạnh kỹ thuật tồn nhiều khuyết điểm cần giải Kết nghiên cứu phân tích yếu tố ảnh hưởng lớn đến phân bố công suất thu máy thu Hy vọng kết làm tảng cho nghiên cứu việc nâng cao, cải thiện khả ứng dụng hệ thống VLC tương lai TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] Y Tanaka, T Komine, S Haruyama and M Nakagawa, “Indoor Visible Light Data Transmission System Utilizing White LED Lights,” IEICE Trans Communication, vol E86-B, pp.2440-2454, 2003 T Komine, M Nakagawa, “Integrated system of white LED visiblelight communication and power-line communication,” IEEE Trans Consumer Electronics, vol 49, no 1, pp.71-79, February 2003 Lee.C.G, Park.C.S, Kim.J.-H, Kim, D.H, “Experimental verification of optical wireless communication link using high-brightness illumination light-emitting diodes, Optical Engineering”, Vol 46, No 12, 2007 Minh, H.L, O’Brien.D.C, Faulkner.G.F, “Highspeed visible light communicaitons using multiple-resonant equalization”, IEEE Photonics Technology Letters, Vol 20, No 14, 2008 J M Kahn and J R Barry, “Wireless Infrared Communications,” in proc of IEEE, vol 85 pp 265-298, February1997 419 419 F.R Gfeller and U Bapst, Wireless in-house data communication via diffuse infrared radiation, Proceedings of the IEEE, 67, 1474–1486, 1979 T Komine and M Nakagawa, Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights, IEEE Transactions on Consumer Electronics, 50, 100–107, 2004 L Kwonhyung, P Hyuncheol and J.R.Barry, “Indoor channel characteristics for visible light communications”, IEEE Communications Letters, 15, 217–219  ... đèn Led điểm phản xạ, d : khoảng cách điểm phản xạ bề mặt máy thu,  : hệ số phản xạ, dAwall : khu vực phản xạ vùng nhỏ, r : góc xạ đến điểm phản xạ,  ir  ir góc xạ đến điểm phản xạ góc xạ. .. Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) C Ảnh hưởng đường phản xạ tới phân bố công suất máy thu [6] Để phân tích ảnh hưởng phản xạ. .. Quốc Gia 2015 Công CôngNghệ Ngh? ?Thông Thông (ECIT 2015) III TÍNH TỐN ẢNH HƯỞNG CỦA ĐƯỜNG PHẢN XẠ Theo nghiên cứu [6, 8] cường độ đường phản xạ ánh sáng Led phụ thuộc vào bước sóng vật liệu để xây