Công nghệ mạng quang không dây và ứng dụng

Trong đồ án này, sẽ xem xét một số đặc điểm của hệ thống truyền thông quang không dây, các tính năng và kỹ thuật làm việc của hệ thống IR không dây để sử dụng trong thực tế. Đồ án gồm có ba chương: Chương 1: Tìm hiểu tổng quan về công nghệ quang không dây. Chương 2: Điều chế mã hóa và đa truy nhập. Chương 3: Tìm hiểu về ứng dụng triển khai mạng quang không dây.

KHOA VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Điểm: … (Bằng chữ ………)

Ngày … tháng … năm 2012

Giáo viên phản biện

LỜI MỞ ĐẦU

Hệ thống truyền thông quang không dây đã bắt đầu tràn ngập tất cả các lĩnh vựccủa cuộc sống hàng ngày của chúng ta Các thiết bị như điện thoại di động, PDA, vàcác thiết bị ngoại vi máy tính, đang ngày càng kết hợp sử dụng thu phát hồng ngoạinhằm cung cấp sự thay thế cho vô tuyến để kết nối không dây Trong đồ án này, em sẽxem xét một số đặc điểm của hệ thống truyền thông quang không dây, các tính năng và

kỹ thuật làm việc của hệ thống IR không dây để sử dụng trong thực tế

Đồ án gồm có ba chương:

Chương 1: Tìm hiểu tổng quan về công nghệ quang không dây.

Chương 2: Điều chế mã hóa và đa truy nhập.

Chương 3: Tìm hiểu về ứng dụng triển khai mạng quang không dây

Do kiến thức và khả năng của em còn hạn chế, nên đồ án tốt nghiệp này khôngtránh khỏi các sai sót Mong được sự góp ý của các thầy, các cô và các bạn để nộidung đồ án được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Nguyễn Đức Thủy, Viện Khoa học Kỹ thuậtBưu Điện, đã hướng dẫn em về chuyên môn, phương pháp làm việc để em có thể xâydựng và hoàn thành nội dung đồ án theo đúng kế hoạch Em cũng xin gửi lời cảm ơnchân thành đến các thầy, các cô, các bạn trong Khoa Viễn thông I, Học viện Côngnghệ Bưu chính Viễn thông đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho em hoàn thành đồ án này Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn đến bố mẹ, anh, chị em cùng tất cả những ngườithân và bạn bè, những người đã giành cho em những gì tốt đẹp nhất trong suốt quátrình học tập để em có được đến hôm nay

Em xin chân thành cảm ơn !

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH VẼ ii

DANH MỤC BẢNG BIỂU iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iv

Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng quang không dây 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Cấu hình hệ thống 4

1.3 Sự phát triển của hệ thống truyền thông hồng ngoại 8

1.4 Kênh quang không dây 14

1.5 Thiết kế cơ bản 16

1.6 Nghiên cứu về tiết kiệm năng lượng 17

1.7 Tóm tắt và kết luận 18

CHƯƠNG 2: ĐIỀU CHẾ MÃ HÓA VÀ ĐA TRUY NHẬP 20

2.1 Giới thiệu về điều chế và công nghệ đa truy nhập 20

2.2 Điều chế 20

2.2.1 Điều chế tương tự 20

2.2.2 Điều chế xung 21

2.2.3 Điều chế số 23

2.3 Công nghệ đa truy nhập quang 26

2.3.1 Kỹ thuật đa truy nhập điện 26

2.3.2 Kỹ thuật đa truy nhập quang 28

2.4 Giao thức không dây tiêu chuẩn 33

2.5 Hiệp hội dữ liệu hồng ngoại 33

2.6 Tổng quan Tiêu chuẩn IrDA 34

2.7 Các giao thức lớp vật lý 37

2.7.1 Các máy phát IrDA 38

2.7.2 IrDA thu 39

2.7.3 Thông số kỹ thuật bộ thu phát 39

2.7.4 Các vấn đề khác liên quan đến lớp vật lý 40

CHƯƠNG 3: MẠNG KHÔNG DÂY HỒNG NGOẠI 46

3.1 Giới thiệu 46

3.2 Kiến trúc mạng 46

3.3 Thông sô kỹ thuật mạng quang không dây 48

3.3.1 Tiêu chuẩn IEEE 802.11 48

3.3.2 IrDA Air 53

3.4 Mạng Ad Hoc 57

3.4.1Các vấn đề trong thiết kế mạng Ad Hoc 57

3.4.2 Định tuyến trong mạng Ad Hoc hồng ngoại 58

3.4.3 Bảo mật trong mạng Ad Hoc hồng ngoại 59

3.5 Chất lượng dịch vụ QoS 61

3.5.1 QoS trong lớp MAC: IEEE 802.11e 62

3.5.2 QoS trong định tuyến 63

3.6 Tương lai mạng hồng ngoại 64

3.7 Ứng dụng triển khai mạng hồng ngoại 65

KẾT LUẬN 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu trúc mạng LAN không dây IR 3

Hình 1.3 Các cấu hình khác nhau của liên kết IR không dây Đường chấm đại diện cho các hình thức khác nhau 4

Hình 1.3 Cấu hình bán khuếch tán 8

Hình 1.4 Thứ tự các nghiên cứu truyền quang không dây 14

Hình 1.5 Mô hình kênh từ năng lượng tín hiệu truyền dòng quang được tạo ra: 15

Hình 2.1 Điều chế FM/IM 21

Hình 2.2 Điều chế xung mã PCM 22

Hình 2.3 Điều chế xung PCM sử dụng mã Manchester 23

Hình 2.4 Điều chế PSK 24

Hình 2.5 Điều chế FSK 24

Hình 2.5 Thành phần vật lý lớp giao thức IrDA 35

Hình 2.6 Ngăn xếp lớp giao thức IrDA 36

Hình 2.7 Giới hạn xung hồng ngoại IrDA 38

Hình 2.8 Đặc tính quang học của máy thu phát hồng ngoại 41

Hình 3.1 Mạng Ad Hoc 47

Hình 3.2 Mạng kết cấu hạ tầng 48

Hình 3.3 Lớp vật lý và lơp MAC trong IEE 802.11 49

Hình 3.4 Phương pháp truy cập cơ bản DCF 51

Hình 3.5 trao đổi RTS /CTS 53

Hình 3.7 Kênh truy cập AIr 55

Hình 3.8 Kiến trúc MAC IEEE 802.11e 62

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Giá trị truyền tải điện năng khuếch tán đầu ra cho cấu hình được theo

dõi 6

Bảng 1.2 Các đặc điểm chính của các cấu hình được giới thiệu 9

Bảng 2.1 So sánh các kỹ thuật đa truy cập trên một hệ thống di động 28

Bảng 2.2 So sánh các Công nghệ không dây IrDA, Bluetooth, và WiFi 36

Bảng 2.3 Cường độ tín hiệu tối thiểu và tối đa và Irradiances cho máy phát và nhận IrDA-Based 42

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ADR Angle Diversity Receiver Sự đa dạng góc thu

AODV AdHoc On-Demand Distance

Vector Routing Protocol

Giao thức định tuyến vector khoảng cách trong mạng Ad Hoc theo yêu cầu

ARQ Automatic Repeat request Lặp lại yêu cầu tự động

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gaussian trắng bổ

sung

BPSK Binary Phase-Shift Keying Khóa dịch pha nhị phânCAS Collision Avoidance Slots Khe tránh xung đột

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia

theo mãCGH Computer-Generated Hologram Máy tạo ảnh ba chiềuCGSR Clustered Gateway Switch Routing Định tuyến chuyển mạch

nhóm cổng

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access With

Collision Avoidance

Đa truy cập nhận biết sóng mang tránh xung độtCSMA/CD Carrier Sense Multiple Access With

Collision Detection

Đa truy cập nhận biết sóng mang phát hiện xungđột

DBIF Directed Beam Infrared Tia hồng ngoại trực tiếpDCF Distributed Coordination Function Chức năng phối hợp phân

tán

tánDSDV Dynamic Destination Sequenced

Distance Vector

Vector khoảng cách tuần tự

DSR Dynamic Source Routing Protocol Giao thức định tuyến

nguồn độngDSSS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếpEDCF Enhanced Distributed Coordination

Function

Chức năng phối hợp phân

bổ cải tiến

EOBC End-of-burst Confirmation Xác nhận kết thúc burstFDMA Frequency-Division Multiple Access Đa truy cập phân chia

theo tần sốFHSS Frequency Hopping Spread Spectrum Trải phổ nhảy tần

HCF Hybrid Coordination Function Phối hợp chức năng hỗn

hợpIAS Information Access Service Thông tin truy cập dịch

vụ

IrCOMM Infrared Communication Giao tiếp hồng ngoạiIrDA Infrared Data Association Hiệp hội dữ liệu hồng

ngoại

LAR Location Aided Routing Hỗ trợ đinh tuyến vị trí

LMP Link Management Protocol Giao thức quản lý đường

L-PAM Pulse Amplitude Modulation with L

levels L LSMS Line-Strip Multi-beam Systems Hệ thống đa tia đường mở

MRC Maximum Ratio Combining Tỷ lệ kêt hợp tối đaMSDS Multi-Spot Diffusing System Hệ thống khuếch tán đa

điểmNAV Network Allocation Vector Vector chủ động mạng

OLSR Optimized Link State Routing Định tuyến trạng thái

đường tối ưuPDA Personal Digital Assistant Thiết bị kỹ thuật số cá

nhân

PPM Pulse position modulation Điều chế vị trí xung

QDIR Quasi-Diffuse Infrared Hồng ngoại bán khuếch

tán

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying Khóa pha vuông góc

SDMA Space Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia

không gian

SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia

theo thời gianTORA Temporarily Ordered Routing Thuật toán tìm đường

Algorithm tuần tự theo thời gianUART Universal Asynchronous Receiver

Transmitter

Máy thu phát không đồng bộ

WDMA Wavelength Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia

bước sóngWEP Wired Equivalent Privacy Mã hóa tương đương có

dây

WLAN Wireless Local Area Network Mạng không dây cục bộ

vùng

Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng quang không dây

1.1 Giới thiệu

Trong vài thập kỷ qua, các công nghệ không dây đã có nhu cầu lớn chưa từng cótrong lịch sử Khách hàng công nghiệp và tư nhân đang đòi hỏi các sản phẩm cho cácứng dụng ở phạm vi rộng, kết hợp tính năng không dây, cho phép họ trao đổi, tiếpnhận, hoặc truyền tải thông tin mà không có sự bất tiện của việc phải cố định vào bất

kỳ vị trí cụ thể nào Máy tính xách tay, Personal Digital Assistants (PDAs), và điệnthoại di động đang trở thành một phần của cuộc sống hàng ngày của một số lượng lớnmọi người, và tất cả các thiết bị này ngày càng kết hợp công nghệ cho phép hoạt động

mà không cần dây cáp Những lợi ích của công nghệ không dây mang lại cho người sửdụng là sự thuận tiện trong tính di động và tính linh hoạt của vị trí thiết bị đầu cuối.Trong một số ứng dụng, bằng cách sử dụng các giải pháp không dây có thể giảm đáng

kể chi phí và thời gian Cấu hình của thiết bị đầu cuối máy tính hoặc các hệ thống viđiều khiển (trong những nơi như phòng thí nghiệm, phòng hội nghị, văn phòng, bệnhviện, sàn nhà sản xuất, cơ sở giáo dục) có thể được thực hiện với chi phí tương đối rẻ

và nhanh chóng với các mạng không dây Duy trì và cài đặt lại cấu hình mạng có dâythường đắt tiền, tốn thời gian, và phức tạp (đặc biệt là trong các tình huống mà cáp càiđặt ở những nơi không thể tiếp cận) Hơn nữa, dây cáp dễ bị hư hỏng , có thể gây ảnhhưởng cho hoạt động của mạng Vô tuyến và tia hồng ngoại (IR) là các phần chính củaquang phổ điện từ được sử dụng để truyền thông tin không dây "radio" là thuật ngữchỉ các bộ phận tần số vô tuyến và vi ba của quang phổ, "IR" đề cập đến phần hồngngoại của nó Hồng ngoại đang trở nên phổ biến hơn mỗi ngày, và nó đang được ưathích (do lợi thế vốn có của nó) cho một số ứng dụng trên vô tuyến

Từ quan điểm quản lý quang phổ, IR cung cấp tiềm năng băng thông rất lớn hiệnđang có trên toàn thế giới mà không bị kiểm soát Phần vô tuyến của quang phổ hay bịnghẽn, và việc phân bổ tần số vô tuyến điện ngày càng khó khăn và tốn kém Một lợithế của IR trên sóng vô tuyến là khả năng chống nhiễu điện từ (EMI) Điều này làmcho IR được lựa chọn trong môi trường nơi mà sự can thiệp từ bên ngoài phải đượcgiảm thiểu hoặc loại bỏ Ngoài ra, IR không ảnh hưởng và không bị ảnh hưởng bởi cáctần số vô tuyến điện, trong đó điều này đặc biệt có quan trọng tại các bệnh viện Cómột số nghiên cứu chỉ ra rằng khi tần số mạng cục bộ vô tuyến (LAN) can thiệp vàocác thiết bị y tế trong vận chuyển và quản lý thông tin bệnh nhân như máy điều hòanhịp tim và máy bơm truyền có thể dẫn tới những hậu quả gây tử vong cho bệnh nhân.Mạng LAN hồng ngoại cung cấp một giải pháp thay thế an toàn và hiệu quả cho cácứng dụng tương tự IR cũng trình bày những lợi thế trên sóng vô tuyến về mặt an ninh.Bởi vì bức xạ IR hoạt động như ánh sáng nhìn thấy, nó không xuyên qua tường, cónghĩa là năng lượng phát ra hoàn toàn ở trong phòng (giả sử có không có cửa sổ haycác vật chắn trong suốt giữa các phòng)

Điều này ngăn cản các thông tin truyền từ bên ngoài và có ý nghĩa an ninh chốnglại việc nghe trộm Ngoài ra, IR cung cấp khả năng triển khai không dây nhanh chóng

và linh hoạt của việc thiết lập các liên kết truyền thông tạm thời Lợi thế hơn nữa của

IR trên vô tuyến bao gồm chi phí thấp, kích thước nhỏ và các thành phần IR tiêu thụđiện năng thấp Điều này được giải thích bởi thực tế rằng hệ thống thông tin không dây

IR làm cho việc sử dụng của các thiết bị quang điện tử tương tự đã được phát triển vàcải thiện trong những thập kỷ qua cho truyền thông sợi quang học và các ứng dụngkhác Một trong những thành phần là các diode phát sáng (LED), do thời gian đáp ứngnhanh hơn, sản lượng điện cao, và hiệu quả được cải thiện, đang trở thành lựa chọn ưutiên cho các ứng dụng quang không dây khoảng cách ngắn Các thành phần khác đãđược cải thiện đáng kể trong những thập kỷ qua bao gồm các diode laser (LD) vàpositive-intrinsic-negative (PIN), đang làm cho tốc độ dữ liệu cao hơn có thể Mặc dù

có những ưu điểm được trình bày bởi các phương tiện truyền hồng ngoại, nhưng hồngngoại vẫn có nhược điểm của nó Liên kết quang không dây dễ bị chặn từ các cá nhân

và các đối tượng, trong đó có thể dẫn đến sự suy giảm của tín hiệu nhận được, phá vỡcác liên kết (phụ thuộc vào cấu hình của hệ thống)

Ngoài ra, hệ thống không dây IR thường hoạt động trong các môi trường nguồnchiếu sáng khác Ánh sáng nền có một phần năng lượng của nó trong vùng phổ được

sử dụng bởi các máy phát, thu hồng ngoại không dây, và giới hạn tách nhiễu trongphạm vi của hệ thống các bộ tách sóng quang Hơn nữa, hệ thống quang không dâycũng bị ảnh hưởng bởi sự suy giảm độ cao do các tín hiệu hồng ngoại khi truyền quakhông khí, và do các hiện tượng khí quyển như sương mù và tuyết tiếp tục giảm phạm

vi của hệ thống và chất lượng kém của việc truyền dữ liệu khi vận hành ngoài trời.Một trong những nhược điểm của IR (chẳng hạn như sự suy giảm và nhiễu ánh sángnền) có thể được giảm thiểu bằng cách tăng mức năng lượng quang học ở máy phát.Tuy nhiên, do thực tế là năng lượng phát quang cao từ một số bộ phát có thể có khảnăng gây nguy hiểm cho võng mạc (đã thúc đẩy việc tạo ra các quy định về an toànmắt), nên một giới hạn quang điện an toàn và hiệu quả phát ra bởi các máy phát hồngngoại không dây Có tính đến cả những lợi thế và nhược điểm của IR, nó sẽ khôngthay thế vô tuyến như là phương tiện duy nhất để truyền thông tin không dây Có nhiềukhả năng là sóng vô tuyến và IR sẽ tiếp tục hoạt động theo cách bổ sung lẫn nhau,được sử dụng tùy thuộc vào các ứng dụng cụ thể IR có thể sẽ tiếp tục được ưa chuộngtrong khoảng cách ngắn, khi cần đảm bảo an ninh, chi phí thấp, và được yêu cầu chốngnhiễu vô tuyến Vô tuyến rất có thể sẽ tiếp tục được sử dụng để truyền trên khoảngcách xa hơn trong các tình huống di động yêu cầu chất lượng cao cho các hệ thốnghoạt động trong môi trường nơi mà các điều kiện khí quyển có lợi cho nó hơn IR

Ý tưởng của việc sử dụng IR như một phương tiện để truyền thông tin giữa cácthiết bị đầu cuối máy tính mà không cần cáp đã được đề xuất lần đầu tiên vào cuốinăm 1970 Họ đã mô tả cách để kết nối một nhóm các thiết bị đầu cuối máy tính ở tốc

độ thấp trên một khoảng cách ngắn (lên đến 50m) bằng cách sử dụng bức xạ hồng

ngoại gần Trong mô tả của họ, các thiết bị đầu cuối, được nằm trong cùng một phòng,trao đổi thông tin thông qua một vệ tinh quang điện nằm trên trần nhà.

Vệ tinh quang học này chuyển thông tin bằng cách sử dụng bức xạ hồng ngoạikhuếch tán nằm rải rác như sóng mang để chuyển tải thông tin đến và đi từ các thiết bịđầu cuối máy tính Điều khiển của nó được kết nối đến một máy chủ thông qua mộtvòng mạng, chẳng hạn như là một trong những minh họa trong hình 1.1, và mỗi vệtinh, cũng như các thiết bị đầu cuối máy tính, có một bộ thu phát IR phù hợp bởi mộtloạt các đèn LED và photodiodes nhằm theo các hướng khác nhau

Hệ thống đề xuất bởi Gfeller và các đồng nghiệp bao gồm các tính năng điềukhiển tự động ở máy thu, cho phép họ cân bằng sự thay đổi mức độ tín hiệu gây ra bởi

sự tắc nghẽn có thể xảy ra của liên kết Ngoài ra, bằng cách sử dụng đặc tính phảnquang của các bức tường và trần nhà, hệ thống được bảo vệ tối đa, tránh sự cần thiếtphải có đường truyền thằng giữa các thiết bị đầu cuối và các vệ tinh quang học Sựxung đột giữa đường lên và xuống của liên kết được tránh bằng cách sử dụng các tần

số sóng mang khác nhau với khóa dịch pha (PSK) hoặc điều chế tần số (FM) hoặc sửdụng các nguồn phát ra ở các bước sóng khác nhau có thể được tách ra ở máy thu bằngcách sử dụng các bộ lọc quang

Hình 1.1 Cấu trúc mạng LAN không dây IR

Họ cũng mô tả kỹ thuật cơ bản truyền kép giữa bộ điều khiển và các thiết bị đầucuối bằng cách kết hợp phát sóng và các kênh dành riêng, loại bỏ các xung đột từ thiết

bị đầu cuối khác nhau Từ cuối những năm 1970 cho đến nay, đã có một sự tăngtrưởng theo cấp số nhân của nghiên cứu trong lĩnh vực truyền thông quang học không dây, và một số sản phẩm thương mại dựa trên công nghệ này đã trở thành hiện thựcViệc tạo ra các tiêu chuẩn cho IR, thông tin vô tuyến cho IR và Bluetooth chosóng vô tuyến, nhu cầu ngày càng tăng cho các ứng dụng không dây cho thấy rằng cảhai công nghệ này sẽ tiếp tục phát triển và mở rộng Điều này giải thích lý do tại saocác nhà nghiên cứu và các nhà sản xuất đang cố gắng để tìm kỹ thuật tốt hơn, hiệu quả

và đáng tin cậy để cung cấp thông tin liên lạc không dây.

1.2 Cấu hình hệ thống

Hệ thống quang không dây sử dụng trong nhà và ngoài trời có thể được sắp xếptrong một số cấu hình tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của một hệ thống Nhìn chung, cấutrúc được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang không dây trong nhà được phânloại theo hai tham số:

 Đường dẫn không bị cản trở giữa truyền và nhận (LOS, non-LOS)

 Mức độ định hướng của máy phát, người nhận, hoặc cả hai (định hướng, khôngđịnh hướng, hoặc kết hợp)

Các cấu hình khác nhau của các hệ thống quang không dây được minh họa tronghình 1.2 Trong cấu trúc truyền thằng (LOS), phía phát và phía thu là xem trực tiếp củanhau, mà không có bất kỳ đối tượng nào cản trở đường truyền Hệ thống non-LOS, cóthể có những vật cản ngăn chặn đường dẫn dẫn trực tiếp giữa truyền và nhận

Hình 1.3 Các cấu hình khác nhau của liên kết IR không dây Đường chấm

đại diện cho các hình thức khác nhau

Cấu hình LOS nâng cao việc sử dụng hiệu quả năng lượng và giảm thiểu biếndạng Tuy nhiên, do thực tế rằng sự liên kết của máy phát, máy thu, hoặc đôi khi yêucầu cả hai, hạn chế sự linh hoạt của một số hệ thống LOS Cấu trúc non-LOS tăngcường liên kết mạnh mẽ vì nó cho phép hệ thống hoạt động ngay cả khi những chướngngại vật ngăn chặn các đường dẫn đường trực tiếp giữa các máy phát và thu

Cấu trúc liên kết có định hướng LOS, còn được gọi là tia hồng ngoại trực tiếp(DBIF), là cấu hình cung cấp việc sử dụng hiệu quả năng lượng tối đa bởi vì năng lượng truyền được tập trung

vào một hình nón phát xạ hẹp Điều này cho phép việc sử dụng tầm nhìn (FOV)thu hẹp, không chỉ cải thiện tiết kiệm năng lượng của liên kết, mà cũng giảm thiểu xácsuất có năng lượng không mong muốn (từ một sự phản xạ tín hiệu hoặc từ năng lượngkhông mong muốn tại một bước sóng khác) tác động đến bộ tách sóng, liên quan đếncác yếu tố như méo tín hiệu và nhiễu

Điều này cũng có nghĩa rằng, so với các cấu hình khác và trong một khoảng cáchnhất định, một hệ thống LOS trực tiếp yêu cầu truyền tải điện năng thấp hơn (do thực

tế là sự khác nhau của chùm tia phát ra là nhỏ, làm tăng mật độ thông lượng điện ởmáy thu) Liên kết không gian quang tự do (FSO) được sử dụng để trao đổi thông tingiữa các tòa nhà, là những ví dụ tốt của cấu hình này Hệ thống theo dõi là một trườnghợp đặc biệt của cấu hình LOS trực tiếp Ở đây, máy phát chỉ thị hoặc nhận được yêucầu thực hiện "di chuyển" bằng phương tiện cơ học hoặc quang điện để duy trì mộtLOS liên tục trong khi cung cấp di động

Việc này cung cấp việc sử dụng hiệu quả năng lượng tối đa, tốc độ bit chất lượngcao, và vùng phủ sóng rộng Năng lượng được truyền tải cần thiết cho một hệ thốngtheo dõi, một số yêu cầu cường độ năng lượng nhỏ hơn năng lượng cần thiết cho một

hệ thống khuếch tán cho tốc độ dữ liệu và phạm vi cụ thể Điều này được minh họatrong bảng 1.1, công suất phát yêu cầu cho một hệ thống hoạt động theo khuếch tán vàcác cấu hình theo dõi (cho tốc độ dữ liệu khác nhau) được hiển thị Những giá trị này

đã được được Smith thu trong cho một phòng 4x4m Trong trường hợp của cấu trúcLOS, hệ thống phát ra một chùm sáng 200mm ở máy phát, sử dụng bộ tách sóng vàmột thấu kính 1cm2 ở máy thu Trong trường hợp khuếch tán, hệ thống được sử dụngkết hợp bộ tách sóng Si PIN 1cm2 Một trường hợp đặc biệt của cấu hình LOS trực tiếp

là cấu trúc liên kết di động Ở đây, thiết bị bán phát LOS cung cấp di động trong khivẫn duy trì việc sử dụng hiệu quả năng lượng hợp lý Góc phát xạ của máy phát trongmột hệ thống di động thường là khoảng 40°, trong khi FOV của máy thu di động làkhoảng 40°, các máy tạo hình ảnh ba chiều (CGHs) đã được sử dụng để cung cấp cấuhình cho các nhà thiết kế kiểm soát hình dạng của chùm tia phát ra

Năng lượng quang (hệ thống di động)

ô (và hợp tác giữa các vệ tinh quang học) Khi một trong các đường dẫn di động bịchặn, các đường dẫn với các ô khác có thể được sử dụng Ở đây, các nhà nghiên cứuthiết kế một mạng LAN không dây quang học đã sử dụng cơ sở hạ tầng có dây hiện cónhư là xương sống của các vệ tinh quang học, có thể giao tiếp với các nhóm các thiết

bị đầu cuối di động thông qua các chùm tia năng lượng rộng Những kết quả này chothấy năng lượng truyền cần thiết cho một hệ thống di động (hỗ trợ tỷ lệ lỗi bit (BER)

là 10-9 và tốc độ dữ liệu giữa 100 kbps và 1Gbps) là hơn ba lần về độ lớn so với mứcnăng lượng cần cho hệ thống theo dõi Trong hệ thống LOS, hoặc là máy phát hoặcmáy thu có FOV rộng, trong khi các phần tử khác chỉ có FOV hẹp

Một hệ thống hỗn hợp LOS điển hình có thể bao gồm một máy phát trực tiếp giúp tối ưu nguồn năng lượng và khoảng cách của liên kết bằng cách phát ra một chùmtia rất hẹp tới máy thu, và một máy thu có FOV rộng xóa bỏ các ràng buộc liên kết vàcho phép tiếp nhận các tín hiệu từ các máy phát khác trong phạm vi hoạt động của nó

Ví dụ về cấu hình này có thể được tìm thấy trong mảng hồng ngoại bán khuếch tán(QDIR) Một hệ thống bao gồm một trạm gốc (dựa trên một hoạt động hoặc phản xạ thụ động) gắn liền với trần nhà cung cấp vùng phủ sóng rộng đến một số thiết bị đầucuối trong một căn phòng Thông tin được truyền từ một thiết bị đầu cuối cho hệ thốngnày, góc phát ra chùm tia của trạm gốc máy phát rất hẹp trong khi FOV của máy thu

là rộng, cho phép các thiết bị đầu cuối nhận được thông tin phản xạ từ các trạm gốc từcác điểm khác nhau trong phòng Hệ thống LOS không trực tiếp kết hợp truyền vànhận (với góc độ phát xạ rất hẹp), không phải hướng vào nhau, hướng vào bề mặt phản

xạ, cho phép liên kết vượt qua các rào cản Ưu điểm chính của cấu hình này là, ngoàikhả năng khắc phục chướng ngại vật, tín hiệu nhận được sau khi phản xạ là duy nhất,giảm thiểu phân tán đa đường Tuy nhiên, do bản chất định hướng của các máy phát vàmáy thu nên liên kết dễ bị lỗi

Một trong những cấu hình được ưa chuộng nhất là non-LOS, hoặc khuếch tán

Hệ thống làm việc theo cấu hình này (còn được gọi là "khuếch tán hồng ngoại" hoặcDFIR) sử dụng máy phát phát xạ chùm rộng và máy thu có FOV rộng mà không yêucầu đường truyền thẳng, hoặc sự liên kết giữa chúng

Ở đây, năng lượng hồng ngoại phát ra bởi các máy phát được lan truyền đồngđều trong một căn phòng bằng cách sử dụng đặc tính phản quang của bức tường vàtrần của nó Điều này có thể do thực tế rằng một số vật liệu thường được sử dụng chocác văn phòng và các tòa nhà có đặc tính hệ số phản xạ cao và hấp thụ thấp, có nghĩa

là những tổn thất từ sự phản xạ thấp Hệ thống làm việc theo độ linh động tối đa củacấu hình khuếch tán hiện nay và có thể hoạt động ngay cả khi có những rào cản giữacác máy phát và máy thu, mà làm cho nó có cấu trúc liên kết mạnh và linh hoạt

Mặc dù có những ưu điểm được trình bày bởi các hệ thống DFIR, nhưng cấuhình này không phải là không có nhược điểm

Thực tế là truyền tín hiệu quang có thể đến được bộ phát sóng sau khi một hoặcmột vài phản xạ từ các bề mặt xung quanh và các đối tượng chỉ là phân tán tạm thời(giới hạn tốc độ bit của hệ thống) Phòng lớn hơn, cao hơn thì sẽ xảy ra phân tán đađường và tốc độ bit đạt được thấp hơn Giới hạn tốc độ dữ liệu liên quan đến can thiệpliên ký tự (intersymbol ) cho cấu trúc liên kết là 260 Mb.m.s-1 Ngoài ra, các mức côngsuất quang là khác nhau tới các bộ tách sóng (tùy thuộc vào vị trí khuếch tán ánh sángcủa máy thu trong phòng), máy thu cần phải có một phạm vi hoạt động rộng lớn, làmgia tăng sự phức tạp của hệ thống Hơn nữa, cần phải lớn hơn kích thước của cănphòng, yêu cầu cao hơn yêu cầu quang-điện ở máy phát Một cách để khắc phục nhữngnhược điểm được trình bày bởi các cấu hình khuếch tán trong khi vẫn duy trì phủ sóngdiện rộng là sử dụng maý phát bán khuếch tán và máy thu đa dạng góc

Một máy phát bán khuếch tán bao gồm nhiều máy phát chùm tia hẹp trực tiếptheo các hướng khác nhau và mô phỏng một máy phát phát xạ góc rộng Một máy thu

đa dạng góc cung cấp phủ sóng diện rộng bằng cách sử dụng nhiều yếu tố, nhận đượctín hiệu theo những hướng khác nhau Điều này có nghĩa rằng nó cung cấp chất lượngcao trong khi cho phép việc sử dụng các bộ tách sóng quang nhỏ và nhanh chóng Các

ưu điểm chính của cấu hình bán lan tỏa khi so sánh với cấu trúc liên kết lan tỏa là giảmtiêu thụ điện năng và giảm biến dạng đa đường

số lượng lớn các đèn LED ở máy phát để công suất được đảm bảo tối đa Ở máy phátphát ra công suất quang trung bình trong khoảng 100 đến 500mW (ở bước sóng giữa

850 và 950nm)

1.3 Sự phát triển của hệ thống truyền thông hồng ngoại

Hệ thống truyền thông quang không dây đã có lịch sử phát triển rất dài kể từ cuốinhững năm 1970 khi IR lần đầu tiên được đề xuất như là một cách thay thế (vô tuyến)

để kết nối các mạng máy tính mà không cần cáp Kể từ đó, số lượng ngày càng tăngcủa các công ty và các tổ chức nghiên cứu đã đầu tư nguồn lực để phát triển các hệthống, khai thác những lợi thế của các phương tiện truyền IR và khắc phục nhượcđiểm của nó Phần này trình bày nhận xét các nghiên cứu thực hiện trong lĩnh vực này,

cả trong các cơ sở giáo dục và các công ty, cho các ứng dụng trong nhà và ngoài trời

Nó giải thích các đặc điểm của hệ thống được đề xuất cũng như tốc độ tối đa đạt đượctại mỗi giai đoạn

LOS Non-LOS

Trực

tiếp

+ Truyền và nhận trực tiếp+ Chùm tia chuẩn trực phát xạ

ở máy phát+ FOV hẹp ở phía thu+ Tỷ lệ bit tối đa+ Tính di động bị hạn chế + Cải thiện hiệu quả năng lượng+ Tính nhạy cảm cao

+ Tối thiểu hóa đa biến dạng

+ Truyền và nhận không trực tiếp+ Chùm tia chuẩn trực phát xạ ở máy phát

+ FOV thu hẹp ở phía thu

+ Tính di động bị hạn chế+ Sử dụng bề mặt phản chiếu

Không

trực

tiếp

+ Truyền và nhận trực tiếp+ Chùm tia phát xạ rộng ở máy phát

+ FOV rộng ở phía thu+ Tối đa tính di động

+ Truyền và nhận không trực tiếp rộng chùm tia phát xạ ở máy phát+ FOV rộng ở phía thu

+ Tối đa tính di động+ Tối thiểu tính nhạy cảm để ngăn chặn

+ Tối đa đa biến dạng+ Tối đa tính linh hoạt và độ mạnh

Kết

hợp

+ Truyền và nhận trực tiếp+ Chuẩn trực chùm tia phát xạ

ở máy phát và FOV rộng tại máy thu hoặc chùm tia phát xạ rộng ở máy phát và FOV hẹp ở phía thu

+ Tương đối linh động + Tương đối nhạy cảm để ngăn chặn

+ Truyền và nhận không trực tiếp+ Chuẩn trực chùm tia phát xạ ở máy phát và FOV rộng tại máy thu hoặc chùm tia phát xạ rộng ở máy phát và FOV hẹp ở phía thu

+ Tương đối linh động+ Tương đối nhạy cảm để ngăn chặn

Bảng 1.2 Các đặc điểm chính của các cấu hình được giới thiệu

IBM là một trong những tổ chức đầu tiên nghiên cứu trên mạng không dây IR.Các báo cáo đầu tiên về nghiên cứu thử nghiệm của IBM đã được công bố giữa năm

1978 và 1979 Họ mô tả một liên kết song công IR đạt được tốc độ bit 64kbps sử dụngPSK và một sóng mang tần số 256kHz

Hệ thống bao gồm một vệ tinh quang học có chứa 40GaAs đèn LED, năng lượngphát xạ là 16mW (ở bước sóng 950nm), và các trạm thiết bị đầu cuối được trang bị vớichín bộ tách sóng quang và 10 đèn LED Trong hệ thống này, một bộ dao động điềukhiển điện áp (VCO) ở máy phát cung cấp các sóng mang để tạo ra các tín hiệu PSKđược sử dụng để điều chỉnh công suất đầu ra của đèn LED Việc tính toán khả năngkhai thác và đồng bộ hóa ở phía thu đạt được bằng cách truyền thông tin sử dụng kỹthuật chuyển đổi không trở về không (NRZ) và mã trở về không (RZ) Ngoài ra, haigiai đoạn vòng lặp (PLLs) cung cấp việc tính toán phát hiện tín hiệu và khai thác Năm

1983, Minami từ Fujitsu mô tả một hệ thống song công hoàn toàn LOS hoạt động theocùng một nguyên tắc như các mạng được mô tả bởi Gfeller Hệ thống này bao gồmmột vệ tinh quang học gắn liền với trần nhà và kết nối với một nút mạng thông quamột cáp, và một số các thiết bị đầu cuối máy tính thông báo cho máy chủ thông qua vệtinh quang học Nó hoạt động ở tốc độ 19,2kbps với một tỷ lệ lỗi là 10-6 khi làm việcdưới ánh sáng huỳnh quang Bước sóng hoạt động là 880nm Các nguồn phát được dựatrên đèn LED (chín cho vệ tinh và năm cho mỗi đầu cuối) với góc phát xạ là 60°, vàmáy thu sử dụng bộ tách sóng quang PIN silicon (bốn cho các vệ tinh và hai cho mỗitrạm) Để tối ưu hóa điện năng tiêu thụ, góc phát xạ của chất truyền dẫn đã giảmxuống đến 30° thông qua một ống hình chữ nhật Đề án điều chế được sử dụng là khóadịch tần (FSK) qua điều chế cường độ (IM), bộ lọc quang học đã được sử dụng tại cácmáy thu để giảm thiểu nhiễu và ánh sáng môi trường xung quanh

Đến năm 1985, theo báo cáo của Takahashi và Touge trong nhóm nghiên cứuFujitsu đã tìm cách cải thiện tốc độ dữ liệu của hệ thống lên đến 48kbps Đây là phiênbản mới hơn của hệ thống có thể hoạt động như một cấu hình hỗn hợp LOS trong kiểukết nối điểm-đa điểm hoặc như là một cấu trúc liên kết không hướng LOS với kết nốiđiểm-điểm Các cấu hình này được ưa chuộng hơn các cấu trúc liên kết không trực tiếpnon-LOS ở điểm tránh các vấn đề liên quan khuyếch tán đường truyền Đường xuốngcủa hệ thống này biểu diễn một góc độ phát xạ rộng (120°), và đường lên có một gócphát xạ trung bình từ 10 tới 30° Các bước sóng ưu tiên tiếp tục phải nằm trong phạm

vi 800 đến 900nm Đối với đề án điều chế này, cần phải sử dụng PSK

Trong bản báo cáo của mình, họ trình bày một biểu thức để tính toán khoảngcách liên kết r đạt được từ đường truyền dây trực tiếp

r=

Ở đây, Ps đại diện cho công suất quang đầu ra từ các máy phát (mW), Ar là diệntích hoạt động của diode tách sóng quang, L1 là hệ số truyền qua của bộ lọc truyền, L2

là hệ số truyền qua của bộ lọc ở phía thu, Prm là công suất quang (mW) để có được một

tỷ lệ nhiễu sóng mang cụ thể ở phía thu, và là nửa góc của năng lượng bức xạ bởinguồn quang

Từ biểu thức này, họ tính toán khoảng cách đạt được (tùy thuộc vào FOV), trongphạm vi từ 10 đến 20m Trong cùng năm (1985), các nhà nghiên cứu từ hai công tykhác (Hitachi và HP Labs) trình bày nghiên cứu của mình trong lĩnh vực truyền thôngkhông dây IR Trong trường hợp của Hitachi, Nakata đã báo cáo một hệ thống mạngLOS trực tiếp thay thế các vệ tinh quang học trên trần nhà với một bộ phản xạ quang

Hệ thống này đã đạt được tốc độ dữ liệu lên đến 1Mbps với BER nhỏ hơn 10-7 chokhoảng cách 5m Điều này đạt được bằng cách sử dụng các mảng đèn LED cung cấpmột sức mạnh phát xạ lên tới 300mW (cả hai đơn vị thiết bị đầu cuối và mảng phản xạ

có các đèn LED) Trong trường hợp của các đơn vị thiết bị đầu cuối, các chùm tia phát

ra được tập trung thông qua một thấu kính để thu hẹp góc 10° và tập trung năng lượngphản xạ Góc phát xạ của bộ phản xạ là 120° Đối với bộ tách sóng tại các thiết bị đầucuối thu phát và phản xạ, hệ thống sử dụng diode tách sóng quang PIN Phía thu cũngđược tích hợp một ống kính Fresnel giúp cung cấp tăng quang Việc sử dụng một phần

tử quang học như vậy có thể do thực tế là năng lượng đến máy thu chỉ từ hướng củacác phản xạ, trong đó có sự thay đổi tiêu điểm bắt đầu làm sự thay đổi góc ở lối vàocủa thấu kính là tối thiểu Để tạo điều kiện thuận lợi cho sự liên kết giữa các phản xạ

và các thiết bị đầu cuối (đặc biệt là nếu các thiết bị đầu cuối đã được chuyển đến một

vị trí mới), thu phát của thiết bị đầu cuối đã có đơn vị quang học tách ra từ các trạmchính và kết nối với nó thông qua một cầu nối linh hoạt

Đề án điều chế được sử dụng cho hệ thống này là tương tự như sử dụng cho cácphiên bản mạng không dây quang học đầu tiên của Fujitsu: FSK Liên quan đến hệthống mạng IR phát triển bởi Hewlett-Packard, Yên và Crawford công bố kết quả của

họ vào năm 1985

Hệ thống này (tương tự như những báo cáo của Fujitsu và IBM) được dựa trên ýtưởng của một vệ tinh quang học có thể được gắn vào trần nhà giao tiếp với một sốđơn vị thiết bị đầu cuối Các cấu hình được sử dụng trong trường hợp này là LOS trựctiếp (đề xuất như là một cách để giảm thiểu các yêu cầu năng lượng quang học khi sosánh với cấu hình khuếch tán), và tốc độ dữ liệu của hệ thống này là 1Mbps, đạt đượctrong khoảng cách 50m thông qua dãy đèn LED phát ra với một năng lượng tối đa là165mW BER đạt được là 10-9

Các bước sóng được sử dụng cho các máy phát vệ tinh quang học HP là 660nm

và bước sóng thu của vệ tinh là khoảng 880nm Điều này tạo thành một lựa chọn kháccủa bước sóng cho đường xuống, có tính đến 660nm tương ứng với phần nhìn thấy củaphổ điện từ,có nghĩa rằng bất kỳ tín hiệu nào từ các vệ tinh đều có thể được thu được

Hơn nữa, có thêm nhiễu từ một số nguồn chiếu sáng môi trường xung quanh cao hơn

ở các bước sóng nhìn thấy được Nhiễu đã được giảm thiểu thông qua một bộ lọcquang học với bước sóng giới hạn 880nm Bộ lọc này cũng được sử dụng để tránhnhiễu từ các tín hiệu của truyền dẫn đường xuống Số lượng đèn LED được sử dụngcho các máy phát của các vệ tinh quang học là 108, và chúng đã được bố trí trong một

số cụm điều khiển bởi các trình điều khiển khác nhau để có một số kiểm soát các môhình bức xạ phát ra

Đối với các thiết bị đầu cuối mạng, chúng đã được trang bị máy phát kết hợp mộtđèn LED phát sóng ở bước sóng duy nhất 880nm và phát ra năng lượng quang 5mWtrên một chùm tia phân kỳ bằng 2° (đạt được thông qua một thấu kính quang học).Thiết bị đầu cuối thu có chứa một bộ tách sóng quang PIN, một bộ lọc quang học(bước sóng giới hạn 600nm), và một kính tập trung quang Năm 1987, AT & TBell đãtrình bày nghiên cứu của họ trên truyền thông quang không dây Họ công bố hệ thốngLOS trực tiếp hoạt động ở 45Mbps trên một bước sóng 800nm Ngay sau đó, vào năm

1988, Fuji và Kikawa từ Tổng công ty điện tử Matshushita trình bày không gian songcông hoàn toàn, môđun truyền dẫn quang tự do hoạt động ở 19,2 kbps trên một khoảngcách tối đa 10m với một BER 10-6. Ý tưởng trong trường hợp này là để trao đổi thôngtin giữa các thiết bị đầu cuối máy tính và vệ tinh quang học gắn liền với trần nhà thôngqua bức xạ hồng ngoại Hệ thống này được sử dụng đèn LED cho máy phát và bộ táchsóng quang PIN cho máy thu (cả hai đều hoạt động ở bước sóng 880nm) Đề án điềuchế được sử dụng là FSK-IM Hệ thống của họ cũng được tích hợp bộ lọc dải thông đểgiảm nhiễu nền chiếu sáng

Năm 1992 Phần cuối của máy phát hoạt động ở bước sóng 900nm, bao gồm đènLED công suất cao, và diode tách sóng quang nhận mã PIN với khu vực hoạt động7mm2 tới 20mm2 kết hợp các bộ lọc quang học và quang học tập trung Nó hoạt độngvới một tốc độ dữ liệu 230.4kbps trên một phạm vi 20m Bước sóng hoạt động của đènLED trong khoảng 800 đến 950nm, và các nguồn quang được đặt ở phần cuối của mộtăngten 6inch

Một năm sau (1993), BT Labs báo cáo hệ thống di động không dây IR hoạt động

ở 50kbps Điều đặc trưng từ các hệ thống được phát triển bởi BT là việc sử dụng cácmáy tạo hình ảnh ba chiều để tăng độ an toàn của mắt bới các máy phát trong khi điềukhiển vùng phủ sóng của các tia sáng phát ra

Hệ thống ban đầu của máy phát bao gồm một laser và một ảnh ba chiều, và mộtnăng lượng quang phát ra là 14dBm ở bước sóng 850nm Máy thu bao gồm một diodePIN silicon 7×7mm kết hợp một bộ lọc màng mỏng quang với dải Δλ = 50 nm, và mộtthấu kính cung cấp tăng quang 4 dB Độ nhạy máy thu là -33dBm Hệ thống cung cấpbao phủ toàn bộ một phòng là 2,2 × 2,2 × 3 m

Trong những năm 1990, trong khi một số công ty thương mại đã nghiên cứu cách

để khai thác những lợi thế được cung cấp bởi môi trường IR, tích cực cố gắng chứngminh truyền thông tin không dây tốt hơn và hiệu quả hơn

Trong thời gian này, Marsh và Kahn đã nghiên cứu hệ thống khuếch tán FSO sửdụng OOK với khả năng phản hồi cân bằng để cung cấp truyền thông không dây trongnhà IR với 50Mbps BER của hệ thống này trong sự hiện diện của ánh sáng nền ởkhoảng cách 2,9m là 10-6 Lý giải điều này là sử dụng một nguồn quang học (hoạtđộng ở 806nm) chỉ vào một trần nhà sơn màu trắng để sử dụng đặc tính phản quangcủa trần nhà và các bức tường (mà cũng đã được sơn màu trắng) để giải tỏa nănglượng và phân phối nó đều ta toàn căn phòng Công suất trung bình của nguồn này là475mW.

Máy thu của hệ thống kết hợp một bộ tập trung bán cầu quang học của bán kính2cm và chỉ số khúc xạ là 1,78 gắn trên một tấm phủ chống phản xạ, photodiode PINsilicon 1cm2 Bộ tập trung này cung cấp một FOV tổng quát là 78° và đạt được là 4,5

dB Máy thu cũng được tích hợp một màng mỏng nhiều lớp quang, băng thông qua bộlọc với bước sóng tại trung tâm là 815nm và dải thông Δλ = 30 nm Bộ lọc này đãđược liên kết với bề mặt bán cầu của bộ tập trung photodiode PIN của máy thu, kết nốivới một bộ tiền khuếch đại hỗn hợp trở kháng cao 10kΩ, tiếp theo là các bộ lọc thôngthấp và thông cao Kỹ thuật truyền tải/phát hiện sử dụng cho hệ thống của họ là cường

độ điều chế với phát hiện trực tiếp (DD) do đơn giản của nó và sự đa dạng của hiệuquả không gian của nó Hệ thống sử dụng một dãy tám điốt laser phía sau một máykhuếch tán Plexiglas cung cấp một mô hình phát xạ gần Lambertian để đạt được đúngnăng lượng IR cần thiết để chiếu sáng toàn bộ một phòng (kích thước 8,4 × 6,3 × 3,9m) Dãy các nguồn IR cung cấp một bức xạ trên trục 97,2 W/m2 sr1 Thời gian phụchồi được cung cấp bởi một vòng pha bậc hai (PLL)

Năm 1995, Smyth trình bày một so sánh thú vị giữa các hệ thống điều hành BT

di động tại 50Mbps và hệ thống khuếch tán từ Đại học Berkeley hoạt động ở cùng mộttốc độ dữ liệu Báo cáo của họ cho thấy rằng trong khi những demonstrator được trìnhbày bởi Berkeley đạt được một phạm vi rộng hơn và có một FOV rộng hơn ở phía thu,

hệ thống từ BT đòi hỏi một năng lượng truyền thấp hơn

Đại học Oxford nghiên đã cứu nhiều trong lĩnh vực truyền thông quang họckhông dây Faulkner báo cáo một hệ thống sử dụng một vệ tinh không dây quang học(trong trường hợp của họ được gọi là "cơ sở trạm") gắn liền với trần nhà để trao đổithông tin với các thiết bị đầu cuối máy tính thông qua bức xạ hồng ngoại Đối vớidemonstrator, họ tạo ra một hệ thống 155Mbps hoạt động ở bước sóng 980nm, sửdụng mã hóa Manchester

Ở đây, việc truyền tải từ trạm cơ sở để các thiết bị đầu cuối máy tính được coi làđường xuống và từ các thiết bị đầu cuối máy tính trạm cơ sở là đường lên Hệ thốngbao gồm khả năng theo dõi (bằng cách sử dụng các mảng rắn) và đạt được khoảngcách giữa trạm cơ sở và thiết bị đầu cuối trong phạm vi từ 2 đến 4 m

Đối với bộ tách sóng ở phía thu, hệ thống kết hợp một loạt các hình lục giác chip điốt PIN InGaAs /InP Các thiết bị này có điện dung là 24pF/mm2 và nhạy cảmvới bước sóng từ 980nm đến khoảng 1700nm

flip-Mỗi bộ tách sóng được kết nối với một bộ tiền khuếch đại trở kháng truyền đạttiếp theo là một bộ khuếch đại sau Họ cũng kết hợp một bộ lọc lớp quang để giảmthiểu nhiễu chiếu sáng của môi trường xung quanh Kích thước hình ảnh quang họccủa mảng này là khoảng 20mm Gần đây hơn, điện tử Showa đã báo cáo bộ IR thuphát không dây tầm ngắn có thể hoạt động ở 100Mbps trên một phạm vi tối đa 20 m vàđèn LED được sử dụng cho các máy phát và điốt quang thác (APDs) cho phía thu Một

hệ thống được đề xuất bởi Singh vào năm 2004, dựa trên ý tưởng của một trạm gốcgắn liền với trần nhà và kết nối với mạng Mạng lưới hoạt động ở 100MBps và đượcdựa trên DPPM với ý nghĩa nhà cung cấp dịch vụ đa truy cập nhận biết sóng mangphát hiện xung đột Một hệ thống được đề xuất bởi Singh vào năm 2004, dựa trên ýtưởng của một trạm gốc gắn liền với trần nhà và kết nối với mạng thông qua xươngsống Đề xuất mạng lưới hoạt động ở 100Mbps và được dựa trên DPPM với(CSMA/CD) và Media Access Control (MAC) Các máy phát dự kiến trong trườnghợp này bao gồm một phần tử nhiễu xạ đặt trước một dãy hốc dọc bề mặt phát ralaser truyền phát ở bước sóng trên 1,4 m, và máy thu được yêu cầu bao gồm một ốngkính ảnh theo sau một loạt các bộ tách sóng InGaAs với FOVs hẹp hoạt động ởkhoảng 1,5 m

Hình 1.4 Thứ tự các nghiên cứu truyền quang không dây

1.4 Kênh quang không dây

Đối với hệ thống thông tin liên lạc bằng cách sử dụng điều chế cường độ, việclựa chọn mô hình kênh phụ thuộc vào các điều kiện ánh sáng nền Trong các môitrường nơi nền chiếu sáng thấp, tín hiệu nhận được thường được mô hình hóa như mộtquá trình Poisson với tỷ lệ λs(t) + λn Ở đây, λn tỷ lệ thuận với cường độ của ánh sáng

nền và λs (t) là tỷ lệ thuận với cường độ quang tức thời của tín hiệu nhận được Trongcác môi trường nơi nền ánh sáng cao và sử dụng một máy thu băng thông rộng, nhiễuđược đưa vào diode tách sóng quang có thể được mô hình hóa như một nhiễu Gaussiantrắng bổ xung (AWGN) cộng với một DC bù đắp.

Đối với các ứng dụng trong nhà bằng cách sử dụng cấu hình khuếch tán, nó cóthể như mô hình kênh băng gốc thể hiện trong hình 1.5, trong đó p(t) biểu diễn nănglượng truyền quang học của một tín hiệu trong một liên kết IR không dây, và i(t) biểudiễn dòng quang được tạo ra bởi diode tách sóng quang Ở đây, i(t), được tạo ra bởidiode tách sóng quang, tỷ lệ thuận với tích phân, bình phương của điện trường trêndiện tích photodiode hoạt động Trong một cấu hình khuếch tán, truyền lan đa đườngtạo ra phát tán các xung được mô hình hóa trong hình 1.5 rh đáp ứng xung (t) Trongtrường hợp này, r là nhạy của bộ tách sóng quang (A /W), h(t) là bất biến và tuyến tínhthời gian nếu các máy phát và nhận đứng yên đối với các bề mặt phản xạ cố định Nếumáy thu di chuyển, đáp ứng xung thay đổi nhẹ với thời gian

Hình 1.5 Mô hình kênh từ năng lượng tín hiệu truyền dòng quang được tạo ra:

(a) cường độ điều chế và phát hiện trực tiếp (IM / DD) (b) sơ đồ khối của kênh quang không dây và quá trình IM / DD

Mô hình kênh băng gốc để truyền dây quang học bằng cách sử dụng (IM / DD)

có thể được mô tả như sau:

y(t) = y(t) đại diện cho dòng tức thời được tạo ra bởi bộ tách sóng quang ở phía thu, x(t) là công suất quang tức thời của máy phát, n(t) thể hiện nhiễu Gaussian trắng, vàh(t) thể hiện đáp ứng đa xung

Kahn cũng đã mô tả các kênh về đáp ứng tần số của nó (biến đổi Fourier của h(t)) như sau :

H(f)=

Mối quan hệ giữa h(t) và H(f) là tuyến tính do các hình thức điện từ của tín hiệunhận được Ngoài ra, kênh được mô phỏng được coi như cố định vì mô hình kênh chỉthay đổi khi chuyển động đáng kể của máy phát hoặc máy thu xảy ra

Sự khác biệt chính giữa các mô hình của kênh IR của một kênh thông thườngtuyến tính nhiễu Gaussian là đầu vào p(t) trong các cuộn dây không đại diện cho biên

độ, nhưng biểu diễn năng lượng, trong khi giới hạn trong năng lượng của kênh đầuvào của các kênh thông thường được cho bởi , giá trị trung bình của tín hiệutruyền trong mô hình IR không được vượt quá một giá trị đặt trước P và là số dương

và thiết bị tách sóng, trong khi liên kết không trực tiếp yêu cầu các chùm tia phát xạrộng và FOVs rộng Một trong những điều mà có thể được thấy từ các thông tin trên

hệ thống khác nhau được phát triển cho thông tin liên lạc không dây IR là hai nguồnquang học phổ biến nhất được sử dụng cho các máy phát hồng ngoại không dây baogồm

 điốt phát quang

 điốt laser

Đèn LED hiện nay có chùm tia phát xạ rộng hơn LDS, làm nó là sự lựa chọn ưathích của cấu hình không trực tiếp và các cấu hình hỗn hợp trong nhà Ngoài ra, nóđược coi là an toàn với mắt, có nghĩa là nó có thể phát xạ cao hơn LDS, cộng với thực

tế rằng nó bền hơn và rẻ hơn so với LDS, ưu tiên sử dụng cho các ứng dụng trong nhà.Các tính năng quan trọng khác của đèn LED bao gồm độ nhạy cảm của nó thấp hơn đểthay đổi nhiệt độ (so với LDS) và sự đơn giản của trình điều khiển liên kết với chúng.LDS, đòi hỏi mạch điều khiển phức tạp hơn và nhạy cảm hơn với biến động nhiệt độ.Mặc dù có những hạn chế, nhưng LDS có thể được điều chỉnh ở tốc độ cao hơn so vớiđèn LED, điều này làm chúng là lựa chọn trong các ứng dụng đòi hỏi tốc độ dữ liệu

rất cao Hơn nữa, thực tế là chùm tia phát xạ của chúng rất hẹp, có thể được sử dụngtrên khoảng cách xa hơn, trong đó ưu tiên sử dụng trong liên kết hướng LOS ngoàitrời Đối với các thiết bị quang điện tử được sử dụng ở phía thu, hai bộ tách sóngthường được sử dụng cho các hệ thống thông tin liên lạc không dây IR là :

 các diode PIN

 APD

Điốt PIN thường rẻ hơn APDs.Ngoài ra, nó yêu cầu điện áp thấp hơn và sựchính xác về nhiệt độ thấp hơn Tuy nhiên, nó kém chính xác khoảng 10 đến 15dB sovới APDs

1.6 Nghiên cứu về tiết kiệm năng lượng

Tiết kiệm năng lượng là một trong những yếu tố cần xem xét quan trọng nhất khithiết kế một hệ thống thông tin liên lạc không dây bởi vì nó xác định kích thước pin vàthời gian hoạt động của các đơn vị di động Công suất tiêu thụ được xác định bởi một

số yếu tố, chẳng hạn như linh kiện điện tử và các thành phần quang học được sử dụng,chương trình điều chế, cấu hình, và công suất phát ra của một hệ thống không dây Vì

lý do này, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu một số cách cải thiện mức tiêu thụ điệnnăng của một hệ thống bằng cách phân tích mọi khía cạnh của nó Ví dụ về các nghiêncứu được thực hiện để giải quyết các vấn đề hiệu quả năng lượng bao gồm những nỗlực của Yu và Otte Nghiên cứu năng lượng hiệu quả, nhiều đề án điều chế sóng mangcon, trong khi Otte phân tích các khía cạnh khác nhau của một hệ thống IR không dây

và yêu cầu của nó đối với điện năng tiêu thụ Các loại công nghệ được sử dụng cũngảnh hưởng đến tiêu thụ điện năng Thu phát trong IR yêu cầu điện năng thấp hơn hơn

so với các đối tác RF của họ, hệ thống quang thu phát không dây hoạt động tại 1 Mbpstiêu thụ 150mW, trong khi một sóng vô tuyến mạng LAN thu phát tiêu thụ 1,5 W,tương ứng với tăng 25% về cung cấp điện của máy tính xách tay Tiêu thụ điện năngcủa một hệ thống bị ảnh hưởng mạnh bởi năng lượng phát ra bởi máy phát Nănglượng này phải đủ lớn để trải ra toàn bộ phạm vi mong muốn của một hệ thống cụ thể,cũng như cung cấp cho máy thu với đủ năng lượng để cho phép hệ thống hoạt động ởtốc độ bit yêu cầu ở các điều kiện khác nhau của ánh sáng nền Năng lượng tại máythu được xác định bởi phạm vi của các liên kết, cấu hình được sử dụng, hình dạng củacăn phòng nơi mà hệ thống đang hoạt động, và các đặc tính phản quang của bức tường

và trần của nó Ví dụ, các ứng dụng sử dụng trên máy tính xách tay yêu cầu tiêu thụđiện năng tối thiểu do lợi ích từ việc sử dụng các cấu hình hướng LOS, nó tối ưu hóahiệu quả năng lượng thông qua năng lượng truyền tập trung đạt được bằng cách sửdụng một hình nón phát xạ hẹp Vì lý do này, việc sử dụng của một nguồn trực chuẩn(như một tia laser) có thể được thuận lợi Ngoài ra, việc sử dụng một phần tử chuẩntrực quang học có thể giảm thiểu tiêu thụ điện năng ở máy phát bằng cách chuyển đổimột nguồn mở rộng thành một nguồn tập trung với góc độ phát xạ hẹp Khi điều nàyxảy ra, cần phải thực hiện tuân thủ các quy định về an toàn mắt Việc sử dụng nguồn

có thể dẫn đến độ tăng ích quang cao (khi sử dụng một bộ tập trung quang), làm tăng

độ nhạy của máy thu và giảm nhu cầu truyền năng lượng lớn trong một khoảng cáchnhất định Việc sử dụng các máy thu đa dạng góc và thiết bị đa phát sóng tại chỗ cũnggiúp giảm thiểu điện năng tiêu thụ trong khi vẫn duy trì độ bao phủ rộng Một cáchkhác để cải thiện tiêu thụ điện năng là thông qua việc sử dụng của một bộ tập trungquang học ở phía thu Điều này do thực tế là một bộ tập trung quang sẽ cải thiện sựnhạy cảm của máy thu, có nghĩa là một năng lượng phát ra thấp hơn có thể được yêucầu ở máy phát (cho một phạm vi nhất định) so với cùng một hệ thống mà không cần

bộ tập trung

1.7 Tóm tắt và kết luận

Chương này trình bày đến nội dung về các hệ thống truyền thông quang họckhông dây Những lý do tại sao IR được ưa thích trên vô tuyến cho một số ứng dụngbao gồm :

 Băng thông rất cao được cung cấp bởi IR, không bị kiểm soát trên toàn cầu

 Thực tế là IR là vốn an toàn bởi vì bức xạ IR không xuyên qua các bức tường vànăng lượng được giữ trong một căn phòng, nơi nó được tạo ra

 Khả năng chống nhiễu điện từ

 Khả năng chống can thiệp từ hệ thống IR khác hoạt động trong các phòng lâncận

 Việc tiêu thụ tiết kiệm chi phí, kích thước, và năng lượng của các thành phần IRNhững nhược điểm của công nghệ IR cũng đã được thảo luận với mục đích để cócái nhìn tổng quan hoàn chỉnh của công nghệ và khả năng so sánh nó với vô tuyến nhưmột phương tiện truyền thông không dây Những nhược điểm của IR bao gồm :

 Khả năng tắc nghẽn trong đường dẫn truyền thông

 Thực tế là nhiễu được sinh ra trong bộ tách sóng bởi các nguồn chiều sáng nền

 Khả năng bị suy giảm lớn bởi các tín hiệu hồng ngoại khi truyền qua không khí

 Hạn chế đối với quang điện phát ra do an toàn mắt

Sẽ không xảy ra hoặc IR sẽ thay thế vô tuyến hoặc là vô tuyến sẽ thay thế IRnhư là phương tiện truyền thông duy nhất để truyền thông tin không dây Những gì đãxảy ra trong vài năm qua là cả hai công nghệ đã hoạt động theo cách bổ sung lẫn nhau,

và đã được sử dụng trong các ứng dụng tùy thuộc vào yêu cầu của một hệ thống cụthể Cấu hình hệ thống khác nhau đã được trình bày và giải thích lợi thế và hạn chế củachúng Hệ thống IR có thể được phân loại theo mức độ trực tiếp, không trực tiếp, hoặckết hợp, và theo sự tồn tại của một đường truyền thẳng giữa các máy phát và nhậnLOS hoặc non-LOS Do sự đơn giản, chi phí thấp, và sự biến dạng đa thấp, phần lớncác hệ thống quang không dây thương mại dựa trên LOS trực tiếp hoặc cấu hình hỗnhợp LOS Trong nhà, các hệ thống không dây IR kết hợp đèn LED ở máy phát thườngđược sử dụng hơn, do thực tế là chúng an toàn và có thể sử dụng một trình điều khiển

đơn giản Các hệ thống thống ngoài trời, thường sử dụng LDS, có thể truyền tải thôngtin dữ liệu cao, và nhờ sự phân tán nhỏ của chùm tia phát ra, có thể đạt khoảng cáchdài hơn Vào cuối phía thu, bộ tách sóng được ưu tiên hơn là photodiode PIN, thườngđược kết hợp với một phần tử quang học cung cấp tập trung và một bộ lọc quang loại

bỏ bức xạ không mong muốn Một số mạng không dây IR đã được tạo ra cho mục đíchnghiên cứu hoặc thương mại theo mô hình đầu tiên được trình bày bởi Gfeller Đối với

hệ thống ngoài trời, các liên kết quang không dây đã được chứng minh với khoảngcách hơn 25 dặm và lên đến 40Gbps; nhưng hệ thống trong nhà, khoảng cách thườnglên đến 30m và tốc độ đường truyền tối đa 155Mbps (cho các cấu hình khuếch tán) Vìvậy, những nỗ lực đang được thực hiện để cải thiện các thành phần quang học và linhkiện điện tử liên quan đến hệ thống, để đạt được tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao hơn , đểgiảm tiêu thụ điện năng của hệ thống, và để tối đa hóa phạm vi của liên kết Các nhànghiên cứu và các nhà sản xuất cũng đang cố gắng tìm cách để cải thiện các kỹ thuậtđiều chế và tốc độ bit dữ liệu được cung cấp bởi các hệ thống hiện tại, trong khi vẫnduy trì chi phí thấp nhất có thể

CHƯƠNG 2: ĐIỀU CHẾ MÃ HÓA VÀ ĐA TRUY NHẬP

2.1 Giới thiệu về điều chế và công nghệ đa truy nhập

Việc chọn lựa các kiểu điều chế là điều quan trọng nhất trong việc xây dựng hệthống quang không dây Các kỹ thuật điều chế để xác định các thông số quan trọngnhư băng thông và hiệu quả năng lượng, có ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của hệthống Đề án điều chế năng lượng hiệu quả thường được yêu cầu trong hệ thống khôngdây hồng ngoại (IR) do mức năng lượng phía phát bị hạn chế bởi giới hạn tiêu thụ pin

Đề án điều chế băng thông hiệu quả có thể sử dụng trong các ứng dụng ở nơi mà băngthông phải được tối ưu hóa nhưng tiêu thụ điện năng là không quan trọng Một số đề

án điều chế phổ biến nhất được sử dụng trong hệt thống công nghệ quang không dây làđiều chế vị trí xung (PPM), khóa mở tắt (OOK) và điều chế song mang phụ Đa truynhập đề cập đến cách thức mà các phương tiện truyền IR được chia sẻ giữa nhiềungười sử dụng Một số kỹ thuật truy cập điện và quang đã từng được nghiên cứu vớimục đích này.Một trong những kỹ thuật quan trọng nhất bao gồm TDMA(đa truy nhậpphân chia theo thời gian),WDMA (đa truy nhập phân chia theo bước song), FDMA (đatruy nhập phân chia theo tần số )

2.2 Điều chế

Kỹ thuật điều chế số, tương tự, điều chế xung và các ứng dụng của chúng trongcông nghệ quang đang được nghiên cứu trong một vài năm vừa qua với mục đích cảithiện hiệu suất của các liên kết không dây IR

Điều chế trong các hệ thống này xảy ra ở 2 cấp độ khác nhau:

 Các tín hiệu điện chứa thông tin điều chế sóng mang

 Các tín hiệu điện được điều chế sử dụng ở trình điều khiển nguồn quang để biếnnăng lượng điện thành năng lượng quang, có nghĩa là sử dụng biên độ tín hiệuđiện điều chỉnh bức xạ hồng ngoại phát ra bởi máy phát

Ở cuối bộ phát quang, một trong những hình thức phổ biến nhất của điều chế là điềuchế cường độ(IM) trong đó dạng sóng của thông tin được sử dụng để điều chỉnh giá trịtức thời của năng lượng truyền vào để thu được độ dài sóng mong muốn Trong kỹthuật này, các tín hiệu dữ liệu điện được sử dụng như đầu vào của trình điều khiển máyphát Ở cuối bộ thu, tín hiệu được phục hồi (chuyển từ tín hiệu quang thành tin hiệuđiện) bằng cách sử dụng kỹ thuật gọi là phát hiện trực tiếp (DD), trong đó bộ tách sóngquang tạo ra một tín hiệu điện theo năng lượng tức thời của tín hiệu quang nhận được

Kỹ thuật truyền dẫn phát điện đã được thảo luận rộng rãi bới Barry and Kahn.Trong 1kênh IM/DD, năng lượng đầu vào ở phía thu không thể bỏ qua

2.2.1 Điều chế tương tự

Một trong những kỹ thuật điều chế đã được đề xuất và sử dụng trong các hệthống quang không dây IR là điều chế tương tự, kỹ thuật này bao gồm điều chế biên

độ (AM) và điều chế tần số (FM) Sau này nó được ưa thích hơn AM cho truyền thôngquang không dây do thực tế là điều chế biên độ bị nhiễu phụ FM đã được đề xuất chocác ứng dụng tín hiệu trong môi trường trong nhà bởi 1 số ảnh hường của ánh sángmặt trời, có thể giảm được bằng cách thay đổi tần số các tín hiệu quang phổ của ánhsáng nền không mong muốn thông qua 1 sóng mang có tần số cao Một lợi ích nữa của

kỹ thuật này là bằng cách sử dụng các sóng mang có tần số khác nhau, nhiều người cóthể truy cập vào hệ thống quang không dây IR bằng cách sử dụng ghép kênh phân chiatheo tần số FM Một ví dụ về điều chế tần số có thể được kết hợp với cường độ điềuchế được minh họa trong hình 2.1 Báo hiệu biên độ (tín hiệu) được sử dụng để điềuchế biên độ sóng mang và các tín hiệu điện được điều chế truyền thông tin bằng cách

sử dụng cường độ điều chế IM

Hình 2.1 Điều chế FM/IM

a) Sự thay đổi của biên độ báo hiệu với thờigian

b) Sự thay đổi của tín hiệu điều chế FM vơi thời gian

c) Sự thay đổi cường độ ánh sáng truyền với thời gian

2.2.2 Điều chế xung

Những cách khác để điều chỉnh các tín hiệu tương tư bao gồm việc sử dụng điềuchế vị trí xung (PPM).Điều chế biên độ xung PAM (có nhiễu phụ nên không được ưachuộng trong các hệ thống thông tin không dây IR) và điều chế xung thời gian (PDM).Điều chế sử dụng các kỹ thuật này được thực hiện bằng cách lấy mẫu tín hiệu tương tự

và truyền nó bằng cách sử dụng xung kỹ thuật số điều chế trong biên độ, vị trí hoặcthời gian theo biên độ của tín hiệu tương tự Biên độ của sóng mang được điều chếtheo đặc tính của các tín hiệu tương tự Trong kỹ thuật L-PAM (PAM mức L) thì cácbit của dữ liệu được nhóm lại và truyền như một xung đơn Biên độ của xung được

tử hóa giá trị lấy mẫu ở từng thời điểm Giá trị của mỗi cấp độ lượng tử thu được bằngcách chia biên độ của tín hiệu tương tự bằng số lượng mức lượng tử (L)

Khi cấp độ các mức lượng tử được thành lập, biên độ của mỗi mẫu được gán chogiá trị trung điểm gần nhất giữa các cấp lượng tử hóa

Hình 2.2 Điều chế xung mã PCM

a) tín hiệu ban đầu được lây mẫu và lượng tử

b) tín hiệu lượng tử hóa được số hóa, nơi một mã nhị phân được gán cho mỗi mức độ và mẫu

Sau khi thông tin đã được điều chế bằng PCM, có thể sử dụng hệ thống mã hóa

để biểu diễn các thông tin kỹ thuật số và điều khiển máy phát để phát ra các xung điều biên có cường độ bức xạ hồng ngoại Có một số chương trình mã hóa có thể đại diện cho các tín hiệu nhị phân PCM, một ví dụ là mã hóa Manchester, cung cấp khai thác thời gian tốt nhưng đòi hỏi gấp đôi tỷ lệ xung truyền

Hình 2.3 Điều chế xung PCM sử dụng mã Manchester

(a) trình tự biến đổi từ tín hiệu tương tự 1 chuyển động xung IR bằng cách sửdụng PCM và mã hóa Manchester

(b) chuyển đổi các dữ liệu từ PCM vào NRZ

(c) chuyển đổi dữ liệu từ NRZ vào dữ liệu mã hóa Manchester

(d) xung ánh sáng được tạo ra từ dữ liệu được mã hóa Manchester

2.2.3 Điều chế số

Trong thông tin liên lạc không dây IR, kỹ thuật điều chế số thường được sử dụng

để chuyển đổi dữ liệu số thành 1 định dạng thích hợp cho truyền dẫn quang Các thôngtin NRZ sử dụng điều chế PCM có thể được sử dụng để điều chỉnh một sóng mangđiện Tín hiêu mới này có thể được sử dụng như đầu vào của bộ điều khiển bộ pháthồng ngoại không dây Các kỹ thuật điều chế số sử dụng cho truyền thông không dây

IR bao gồm khóa dịch tần FSK và khóa dịch pha PSK Những kỹ thuật này được sửdụng rộng rãi trong truyền dẫn quang do thực tế là chúng giúp truyền tải các thông tin nhị phân, áp dụng trong một số ứng dụng một cách dễ dàng Trong quá trình điều chếsóng mang con (SSM) , tín hiệu ban đầu được điều chế thành 1 sóng mang tần số phụ,sau đó dùng để điều khiển máy phát, nơi mà năng lượng của máy phát hồng ngoại tỷ lệthuận với tín hiệu điều chế Điều chế ASK, FSK và PSK là những ví dụ của SSM.Trong đó, quang phổ của dải tín hiệu cơ bản chuyển sang tạo điều kiện thuận lợi choviệc truyền tải các tín hiệu Trong tình trạng hiện nay thì tín hiệu điều chế (tín hiệu nhịphân) điều chỉnh một sóng mang hình sin của tần số cao tần và các tín hiệu thu được

Nếu xảy ra các biến đổi trong biên độ của sóng mang ứng với sự biến đổi biên

độ của tín hiệu điều chỉnh thì sau đó điều chế được gọi là ASK hay được gọi là khóadịch biên độ Mặt khác, việc biểu diễn các tín hiệu nhị phân được thực hiện bằng cách

di chuyển pha của sóng mang hình sin, kiểu điều chế này dc gọi là PSK Điều nàyđược minh họa ở hình 2.4, nơi mà dữ liệu nhị phân được biến đổi lần đầu thành NRZ.Dạng mới của dữ liệu sau đó dùng để điêu chỉnh sóng mang bằng cách sử dụng PSKnhư hình vẽ

Trong hình 2.5,tùy thuộc vào yêu cầu hiệu quả băng thông trong kênh sử dụngbăng thông, các phiên bản phức tạp hơn của kỹ thuật này có thể được sử dụng nhưngvới mức chi phí cao Gfeller chỉ ra rằng nếu môi trường khuếch tán và có những đường

đi khác nhau cho năng lượng truyền thì PSK sẽ giải quyêt vấn đề đồng bộ

Vì lý do này (và vì tính linh hoạt của nó trong sự thay đổi tốc độ dữ liệu) FSKđược ưa thích hơn PSK ngay cả khi chúng có tỷ lệ lỗi bit giống nhau Trái ngược vớiSSM, nơi mà chỉ có 1 tín hiệu sóng mang con được điều chế, điều chế đa sóng mangcon (MSM) bao gồm điều chỉnh nhiều chứ không chỉ một sóng mang Một trongnhững điểm thu hút của MSM là nó cho phép ghép kênh không đồng bộ của các luồngtín hiệu khác nhau và máy thu có thể giải mã thông tin mình mong muốn Ngoài ra,MSM còn có khả năng chống lại ánh sáng huỳnh quang gần DC và giảm nhiễu ISItrong các đa kênh Một cách để giảm công suất tiêu thụ quang trung bình của MSM( khi sử dụng kỹ thuật điều chế QPSK hoặc BPSK với các xung hình chữ nhật trongmột hệ thống dựa trên điều chế cường độ/phát hiện trực tiếp, IM/DD) là bằng cách sửdụng điện áp một chiều, thay đổi trên cơ sở biểu tượng – biểu tượng

2.2.3.1 Khóa mở - tắt ( OOK)

Khóa mở - tắt là kỹ thuật điều chế ưu tiên sử dụng trong thông tin liên lạc khôngdây IR do hiệu quả băng thông của nó và do nó là chương trình đơn giản nhất để thựchiện Tập hợp các dữ liệu OOK có thể biểu diễn bởi xung trở về 0 hoặc xung không trở

về 0 Trong một số mạng không dây IR, điều chế tín hiệu được ưa thích là sự kết hợpgiữa NRZ-OOK, được phát triển cho các ứng dụng trong nhà sử dụng IM/DD Xungtruyền bình thường của một NRZ-OOK là p(t)=1 cho 0 ≤ Tb và p(t) =0 còn lại

Ở đây, tính toán kết quả hồi phục khá phức tạp vì trong quang phổ của xungNRZ không chứa các thành phần quang phổ rời rạc, vì vậy dòng mã hóa hoặc xem xétphục hồi phi tuyến cần được tính tới Xung truyền tín hiệu NRZ (với chế độ làm việc50%) là p(t)=1 cho 0 ≤ Tb/2 và p(t) =0 còn lại Quang phổ của dạng tín hiệu có chứacác thành phần rời rạc tại tốc độ bit làm đơn giản hóa tính toán khôi phục

Tuy nhiên hiệu quả băng thông của tín hiệu RZ với chế độ làm việc 50% cũngđược giảm 50%, điều này khiến nó cần phải tìm được một sự thống nhất giữa việc tínhtoán khai thác phục hồi và hiệu quả băng thông Dạng sóng của NRZ kết hợp OOKđược biểu diễn như sau

PTb(t)=1 với0 ≤ t ≤Tb và PTb (t)=0 còn lại và a

Tỷ lệ công suất quang PTb có liên quan đến công suất quang trung bình Pavg nhưsau

Ppeak = 2Pavg

Sự khác biệt giữa OOK-RZ và OOK-NRZ là trong các cuộn dây, tín hiệu truyền

là mở (truyền số 1) chỉ trong một phần nhỏ của một khoảng thời gian bit Tb ( là đạidiện cho chu kỳ làm việc) trong khi OOK-NRZ truyền tín hiệu mở trên toàn bộ thờigian bit Dạng sóng của điều chế OOK kết hợp RZ có dạng

P Tb(t)=1 với0 ≤ t ≤ Tb và P Tb (t)=0 còn lại và a

Tỷ lệ công suất quang Ppeak có liên quan đến công suất quang trung bình Pavg nhưsau:

Ppeak =

2.3 Công nghệ đa truy nhập quang

Kỹ thuật đa truy nhập đề cập tới cách thức mà các phương tiện truyền IR có thểchia sẻ giữa nhiều người dùng Những kỹ thuật xác định dung lượng truyền dẫn phân

bổ cho những người sử dụng khác nhau khi họ đang muốn truy cập vào hệ thống Điềunày có liên quan tới các hệ thống trong nhà, cùng một thiết bị có thể yêu cầu trao đổithông tin với một số thiết bị khác, so với các hệ thông ngoài trời có xu hướng kết nốitheo kiểu điểm – điểm Phần hiện hành đề cập tới kỹ thuật ghép kênh ở lớp vật lý, dựatrên một số đặc điểm quan trọng của môi trường IR Những đặc điểm này bao gồm :

 Bộ lọc quang được dùng để tách các bước sóng không mong muốn và chỉ chonhững bước sóng mong muốn vào bộ tách sóng

 Có thể sử dụng cùng một bước sóng trong các phòng khác nhau trong cùng 1tòa nhà do thực tế là bức xạ hồng ngoại không thể xuyên qua tường

 Cường độ điều chế IM cho phép sử dụng các dạng sóng chu kỳ ngắn bởi vì nócải thiện được hiệu quả năng lượng IM cũng cho phép truy cập phân chia theothời gian (TDMA)

 Có thể đạt được góc có độ phân giải lớn trong máy thu đa dạng góc do thực tế làbước sóng tương ứng với một phần hồng ngoại của quang phổ là ngắn, quantrọng là để ghép kênh phân chia không gian

Có 2 cách để truy cập ở lớp vật lý trong một hệ thống thông tin không dây IR làđiện và quang Ví dụ về kỹ thuật ghép kênh điện bao gồm đa truy nhập phân chia theo

mã (CDMA) và đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) Và sau này có thể trở thành hình thức phổ biến nhất của ghép kênh điện cho các ứng dụng quang khôngdây Ví dụ về kỹ thuật đa truy nhập quang thì gồm có đa truy nhập phân chia theobước sóng (WCDMA) và đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA)

Cách tốt nhất để cung cấp truy cập trong khi sử dụng IM/DD đơn giản là sửdụng nhiều sóng mang con điều chế (MSM) Kỹ thuật này bao gồm một số dòng bitđộc lập điều chỉnh lên sóng mang tần số khác nhau Các tín hiệu điều chế sau đó đượcthêm vào và sử dụng để điều khiển máy phát Dải giữa của giải điều chế sau đó có thể

sử dụng để điều chế dải bit ban đầu vào cuối máy thu

2.3.1 Kỹ thuật đa truy nhập điện

Ghép kênh điện là một hình thức đáng tin cậy cung cấp truy cập giữa nhiều người sử dụng, như đã nói ở trên, 2 kỹ thuật điều chế điện sử dụng rộng rãi trong thực

tế là TDMA và CDMA.

TDMA phân chia thời gian phân bổ cho mỗi người sử dụng một cách đồng bộ,đòi hỏi mức độ phức tạp của hệ thống Trong hệ thống TDMA, các máy phát phát ranăng lượng theo khe thời gian phân bổ của chúng trong khi người nhận theo dõi cùng

1 kênh

Một trong những lợi thế của TDMA là chu kỳ làm việc ngắn, hiệu quả làm việccao, nên nó trở thành sự lựa chọn ưa thích cho các ứng dụng liên quan đến các thiêt bịcầm tay tiêu thụ ít điện năng Tuy nhiên, trên thực tế để tránh mất đồng bộ thì hệ thốngcần độ phức tạp tương đối cao Truy nhập phân chia tần số FDMA cho phép truyền tảiđồng thời thông tin trong cùng một khoảng thời gian vật lý bằng cách sử dụng các tần

số khác nhau So với TDMA, FDMA có hiệu quả năng lượng thấp và với việc tăngthêm sóng mang thì hiệu quả còn giảm nữa Trong trường hợp CDMA, nhiều ngườidùng khác nhau có thể truy nhập vào cùng một kênh, nhờ sử dụng chuỗi mã trực giao

và bán trực giao khác nhau Bởi vì với các dạng sóng truyền khác nhau ( chu kỳ làmviệc khác nhau) có thể sử dụng CDMA nên không thể đưa ra kết quả về hiệu quả của

kỹ thuật ghép kênh này Đã có so sánh về các kỹ thuật đa truy nhập khác nhau (trongcùng một hệ thống di động và tái sử dụng không gian) và chỉ ra rằng hiệu quả khácnhau là ở bán kính cells Đối với phân tích này, họ cho rằng hệ thống khuếch tán ở nơi

mà các thiết bị đầu cuối quang kết nối với đường trục quang và họ cũng cho rằngWDMA tách đường lên và đường xuống bằng cách đó nên đường lên và đường xuống không xung đột lẫn nhau Vì lý do này mà chỉ có đường xuống của vùng được phânchia thực hiện trong CDMA, TDMA, FDMA được coi là băng thông Các cells khácnhau trong cùng một nơi sẽ được chiếu sáng bởi các máy phát đường xuống khácnhau, với dải băng thông được cấp phát là như nhau Một giả định quan trọng trong sự

so sánh này là thiêt bị phát sóng không liền kề có thể tái sử dụng băng thông (do đóyếu tố tái sử dụng được xác định theo số lượng các phân vùng băng thông )

Bằng cách này, sự giao thoa giữa các cells được giữ tối thiểu (trên thực tế, không

có sự can thiệp giữa các cell lân cận trong khi sử dụng FDMA và TDMA nhưng có sựgiao thoa khi sử dụng CDMA) Bảng 2.1 so sánh các kỹ thuật đa truy nhập và kỹ thuậtđiều chế bao gồm TDMA với 2PPM, TDMA với 4PPM, TDMA với OOK, CDMA với

mã quang trực giao (OOC), CDMA với m-trình tự, và FDMA với BPSK Các cellstrong bảng so sánh này đều có thông lượng 10 Mbps và yếu tố tái sử dụng là 3 làyếu tố được đánh giá trong bảng 2.1 cho các kỹ thuật đa truy nhập và điều chế tươngứng của chúng, tỷ lệ với bình phương đường truyền quang Sự biến thiên 10 db của giá trị tương ứng với biến thiên 5db của nguồn phát quang, chính vì vậy mà giá trị nhỏ là thuận lợi vì nó đại diện cho nguồn quang điện nhỏ ở máy phát

Bảng 2.1 So sánh các kỹ thuật đa truy cập trên một hệ thống di động

Ở bảng 2.1 ta có thể thấy được rằng tăng kích thước cell lên hơn 2m, lý do chovấn đề này là nếu khi kích thước cell quá nhỏ, sự giao thoa đồng kênh tăng lên, làmcho nó không thể duy trì được giá trị BER

Khi bán kính của các cell tăng lên, sự giao thoa đồng kênh trở nên ít quan trọnghơn, cho phép đánh giá tốt hơn về kỹ thuật đa truy nhập và đề án điều chế dựa theoyêu cầu năng lượng của chúng Như vậy có thể kết luận được rằng FDMA sử dụngBPSK là kỹ thuật đa truy nhập mà có yêu cầu về năng lượng lớn nhất, kỹ thuật ghépkênh đòi hỏi ít năng lượng hơn ở máy phát để đạt được giá trị BER = là TDMAvới 4-PPM, trong đó có chu kỳ hoạt động ngắn nhất.

TDMA với 2-PPM yêu cầu năng lượng ở máy phát cao bởi vì chu kỳ làm việccũng dài hơn Sự khác biệt giữa các xung vị trí của DPPM cung cấp lợi thế hơn PPM

về năng lượng hoặc hiệu quả băng thông Điểm khác biệt giữa 4-PPM và 4-DPPM làtrong khi 4-PPM là 1 trong 4 chip có giá trị cao và 3 chip còn lại có giá trị thấp ở mọithời điểm trong khi đó với 4-DPPM thì các bit cao thấp sẽ có thời gian xuất hiện khácnhau

2.3.2 Kỹ thuật đa truy nhập quang

Sự ghép kênh quang đề cập tới kỹ thuật mà nhiều người dùng có thể chia sẻ các phương tiện IR bằng cách sử dụng các tính chất quang Như đã đề cập ở trên, 2 kỹ thuật được sử dụng trong đa truy nhập quang là đa truy nhập phân chia theo bước sóngWDMA và đa truy nhập phân chia không gian SDMA WDMA xác định cách thức màmột số người dùng có thể truyền tải thông tin đồng thời trong không gian vật lý sửdụng quang phổ hẹp phát ra từ các bước sóng khác nhau Hệ thống sử dụng WDMAđơn giản hơn TDMA vì nó sử dụng một số đặc điểm có sẵn của môi trường IR Trongcấu trúc đơn giản của nó, một bộ thu phát WDMA có thể dễ dàng thực hiện được bằngcách sử dụng một diode laser có độ rộng quang phổ hẹp,và một máy thu bao gồm bộtách sóng quang và bộ lọc quang mỏng, hoạt động ở các bước sóng khác nhau để cóthể truyền tải đồng bộ Tuy nhiên một số ứng dụng trên thiết bị đầu cuối yêu cầu hoạtđộng ở các bước sóng khác nhau, chính vì vậy quá trình trở nên phức tạp và tốn kém

Để WDMA hoạt động chính xác thì các nguồn phát và các bộ tách sóng cần hoạt động

ở bước sóng chính xác Ngoài ra, tùy thuộc vào ứng dụng mà các hệ thống thiêt bị đầucuối dựa trên WDMA có thể yêu cầu sử dụng laser đảo ở máy phát và bộ lọc dải giữa

ở máy thu SDMA cũng có thể là 1 sự thay thế cho WDMA, kỹ thuật này sử dụng máythu đa góc để phân biệt tín hiệu theo hướng mà chúng tới SDMA có thể thực hiệnbằng cách sử dụng một loạt các ADRs kết hợp với các cấu hình khác nhau của máybán khuếch tán để tối ưu hóa hiệu suất của liên kết Có một số kỹ thuật có sẵn để phát hiện và xử lý các tín hiệu nhận được các cấu trúc khác nhau của ADR Những lợi thế

cụ thế và các đặc điểm của một hệ thống ADR phụ thuộc vào các kỹ thuật cụ thể được

sử dụng Những phương pháp này là kết hợp bằng nhau (EGC), tối đa khả năng kếthợp (MLC), lựa chọn đa dạng (SD), và tỷ lệ tối đa kết hợp (MRC) MLC cung cấp sựđồng bộ cao và FOV lớn trong khi giảm thiểu nhiễu, sự phân tán đa đường, và nhiễuđồng kênh