Topic kỹ thuật Định vị trong hệ thống vlc hoạt Động trong nhà

So sánh những đặc tính của các công nghệ truyền thông VLC, IRB, RFB 13 Băng thông Không giới hạn 400-700 nm Không giới hạn 800-1600 nm Giới hạn Khoảng cách Ngắn Ngắn đến dài Ngoài t

1 Nguyen Thanh Quan

2 Duong Tran Minh Toan

3 Dang Cong Trong

4 Vo Phuoc Hoai Bao

5 Nguyen Nhat Cuong

6 Nguyen Van Danh

THE UNIVERSITY OF DA NANG

DA NANG UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY ELECTRONIC AND TELECOMMUNICATION FACULTY

Instructor : Assoc Pros PhD Nguyen Van Tuan

MỞ ĐẦU

3

1 Tính cấp thiết của đề tài

Sự phát triển của công nghệ bán dẫn và đèn LED đã thúc đẩy công nghệ truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy (VLC) phát triển nhanh chóng VLC là công nghệ tiềm năng trong tương lai nhờ các ưu điểm vượt trội như: không tốn phí, hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, tiết kiệm năng lượng, an toàn cho sức khỏe, băng thông rộng, khả năng truyền dữ liệu dung lượng cao, và tính bảo mật cao Đặc biệt, VLC có thể kết hợp giữa truyền thông và chiếu sáng, khắc phục nhiều hạn chế của công nghệ truyền thông vô tuyến

Ngoài truyền dữ liệu, nhu cầu định vị trong nhà cũng ngày càng tăng, nhưng các công nghệ hiện tại như GPS, sóng RF, Bluetooth, và hồng ngoại vẫn gặp nhược điểm với sai số cao trong môi trường trong nhà Công nghệ định vị bằng ánh sáng nhìn thấy là một hướng nghiên cứu mới, thu hút nhiều sự quan tâm trong những năm gần đây Do đó, báo cáo

2 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:

• Tìm hiểu về hệ thống VLC và các ứng dụng thực tế của công nghệ VLC

• Tìm hiểu và so sánh các phương pháp định vị trong môi trường trong nhà áp dụng cho công nghệ VLC

• Đề xuất mô hình cải tiến nâng cao chất lượng định vị cho hệ thống VLC trong nhà

• Xây dựng mô hình và chương trình mô phỏng bằng Matlab nhằm đánh giá hiệu quả của kỹ thuật định vị trong nhà dùng công nghệ VLC

KHÁI NIỆM VLC

4

Visible light communication viết tắt là VLC hay giao tiếp ánh sáng nhìn thấy là một phương pháp không dây cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao bằng ánh sáng nhìn thấy (380nm đến 780nm).

Dữ liệu này được truyền bằng cách điều chỉnh cường độ ánh sáng do nguồn sáng phát ra Tín hiệu được nhận bởi một thiết bị diode quang giúp chuyển đổi dữ liệu thành các dạng mà người dùng có thể đọc được và dễ dàng sử dụng.

VÍ DỤ MINH HOẠ HỆ THỐNG VLC

5

Với VLC, do việc kết hợp giữa chiếu sáng thông thường và truyền thông tin nên dữ liệu được truyền đi bằng cách điều chế cường độ của ánh sáng nhưng không để cho mắt người bình thường nhận biết được sự thay đổi này Ánh sáng mang theo dữ liệu khi đến phía thu sẽ được nhận bởi Photo Diode (PD) hoặc chip cảm biến hình ảnh (CMOS) sau đó giải điều chế chuyển đổi từ tín hiệu quang thành tín hiệu điện để tái tạo lại thông tin

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VLC

6

Nỗ lực đầu tiên trong việc sử dụng ánh sáng nhìn thấy để truyền thông tin thuộc về nhà khoa học Scotland Alexander Graham Bell, người đã phát minh ra thiết bị “Photophone” vào ngày 19 tháng 2 năm

1880 tại phòng thí nghiệm ở Washington, DC cùng với cộng sự của ông Charles Tainer.Với thiết bị này,

âm thanh có thể truyền đi khoảng 200m với ánh sáng mặt trời và ngắn hơn với ánh sáng từ bóng đèn

2005 Thử nghiệm thực tế hệ thống truyền dẫn VLC tới điện thoại di động với tốc độ

10kb/s và vài Mb/s sử dụng đèn huỳnh quang và LED tại Nhật Bản.

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

2008 Phát triển các tiêu chuẩn toàn cầu cho mạng gia đình sử dụng ánh sáng và hồng

ngoại để truyền dẫn thông qua dự án OMEGA của EU.Thực hiện truyền dẫn sử dụng 5 đèn LED với tốc độ khoảng hơn 100Mb/s

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 8/2013 Giáo sư Harald Haas đã thực hiện truyền dữ liệu với tốc độ lên đến 1.6 Gbit/s thông

qua đèn LED đơn sắc

Mô hình nhà thông minh OMEGA

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VLC

7

Hệ thống VLC cấp nguồn và kết nối LED thông

qua cáp Ethernet Mô hình VLC của đại học Nagoya

CÁC ƯU ĐIỂM CỦA CÔNG NGHỆ VLC

có xu hướng thoát ra và gây xuyên nhiễu

• Tốc độ cao – Công nghệ VLC có thể đạt được tốc độ cao nhờ vào nhiễu thấp, băng thông lớn và cường

độ chiếu sáng lớn ở đầu ra

• Quản lý – Việc quản lý trở nên khá dễ dàng do không gian chiếu sáng chọn lựa để truyền thông và tín hiệu ánh sáng có thể quan sát được trong khi sóng vô tuyến không thể quan sát khiến cho việc quản lý trở nên phức tạp hơn nhiều

Dải tần của sóng ánh sáng nhìn thấy

CÁC ƯU ĐIỂM CỦA CÔNG NGHỆ VLC

CÁC ƯU ĐIỂM CỦA CÔNG NGHỆ VLC

10

 Bảo mật

• Ngăn chặn – Đối với môi trường trong nhà (indoor), sẽ rất khó để có thể thu thập hay do thám các tín hiệu VLC do sóng ánh sáng không xuyên qua vật cản và chỉ tập trung trong khu vực cần thiết

• Điều khiển – Dữ liệu sẽ được chuyển trực tiếp từ một thiết bị sang thiết bị khác và người

sử dụng hoàn toàn có thể nhìn thấy và biết được dữ liệu của mình đang được chuyển đi đâu,

do vậy không cần thiết phải có các phương án bảo mật liên kết nào khác như khi truyền thông với sóng điện từ

Nhược điểm của công nghệ VLC

11

 Nhiễu từ các nguồn sáng xung quanh:

• VLC sử dụng ánh sáng nhìn thấy, vì vậy có thể bị nhiễu bởi các nguồn sáng xung quanh như đèn điện, ánh sáng mặt trời, hoặc các nguồn ánh sáng khác Những nguồn này có thể làm giảm độ chính xác hoặc làm nhiễu loạn tín hiệu truyền thông, dẫn đến giảm hiệu suất truyền dữ liệu

 Phạm vi phủ sóng ngắn:

• VLC hoạt động chủ yếu trong không gian hạn chế, ví dụ như trong các phòng nhỏ, vì tín hiệu ánh sáng có xu hướng bị suy giảm nhanh chóng khi khoảng cách tăng lên Điều này giới hạn phạm vi sử dụng của VLC, đặc biệt khi so sánh với các công nghệ vô tuyến như Wi-Fi hoặc 5G, vốn có thể bao phủ phạm vi lớn hơn

 Thách thức tích hợp với hệ thống Wi-Fi:

• Mặc dù VLC có tiềm năng bổ sung cho Wi-Fi trong các ứng dụng cụ thể, việc tích hợp hai công nghệ này vẫn gặp khó khăn Wi-Fi hoạt động trên sóng vô tuyến và có phạm vi phủ sóng rộng, trong khi VLC phụ thuộc vào ánh sáng nhìn thấy, vốn không thể xuyên qua

tường hoặc vật cản Điều này tạo ra thách thức về việc duy trì kết nối liên tục giữa hai công nghệ

Nhược điểm của công nghệ VLC

12

 Hấp thụ khí quyển, che khuất, phân tán chùm tia:

• Ánh sáng dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khí quyển như hơi nước, bụi, hoặc các chất khí khác, làm giảm cường độ tín hiệu Che khuất vật lý từ đồ đạc, tường, hoặc người có thể

ngăn cản ánh sáng truyền đến máy thu, gây gián đoạn liên lạc Hiện tượng phân tán chùm tia cũng làm giảm hiệu quả truyền tín hiệu khi ánh sáng bị tán xạ hoặc phản xạ trên bề mặt

không đều

 Yêu cầu tầm nhìn thẳng (LOS - Line of Sight):

• VLC yêu cầu một đường thẳng giữa nguồn phát và máy thu (tầm nhìn thẳng) để đảm bảo tín hiệu không bị gián đoạn Nếu có vật cản như tường, đồ vật, hoặc con người chặn giữa nguồn sáng và máy thu, thì tín hiệu sẽ không truyền được hoặc bị suy giảm nghiêm trọng Điều này là một trong những hạn chế lớn nhất của VLC so với các công nghệ vô tuyến

không yêu cầu tầm nhìn thẳng

So sánh những đặc tính của các công nghệ truyền thông

VLC, IRB, RFB

13

Băng thông Không giới hạn (400-700

nm) Không giới hạn (800-1600 nm) Giới hạn

Khoảng cách Ngắn Ngắn đến dài (Ngoài trời) Ngắn đến dài (Ngoài trời)

Tiêu chuẩn Đang hoàn thiện (Tiêu

chuẩn IEEE 802.15.7) Khá đầy đủ cho môi trường trong nhà, đang hoàn thiện

cho môi trường ngoài trời

Hoàn thiện

Dịch vụ Chiếu sáng + truyền thông Truyền thông Truyền thông Nguồn nhiễu Ánh sáng mặt trời và các

nguồn sáng xung quanh Ánh sáng mặt trời và các nguồn sáng xung quanh Tất cả các thiết bị điện tử

Mô tả hệ thống VLC

14

 Mô hình hệ thống

Sơ đồ khối hệ thống vlc

ĐÈN LED TRẮNG

16

 Trong những năm gần đây, công nghệ đèn LED đã phát triển rất mạnh mẽ và được xem là ứng cử viên số một cho các hệ thống có khả năng chiếu sáng và truyền thông đồng thời do thỏa mãn các điều kiện: bước sóng,độ rộng vạch phổ phù hợp,độ bức xạ cao

Các loại led trắng cơ bản

Các đặc trưng của đèn led trắng

17

 Cường độ chiếu sáng

Cường độ chiếu sáng là đại lượng biểu thị lượng thông năng trên mỗi góc khối và liên quan đến độ rọi tại bề mặt được chiếu sáng Do đó, cường độ chiếu sáng biểu diễn độ sáng của đèn LED

Trong đó: là góc không gian, là quang thông được tính bằng công thức

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

 Công suất quang truyền

Trong đó: được xác định bằng đường cong biểu diễn độ nhạy



Mô hình kết nối

18

 Mô hình kết nối LOS

Đặc điểm của mô hình này là ánh sáng từ máy phát sẽ được truyền thẳng đến máy thu tùy theo trường nhìn thấy FOV Mô hình này có nhiều ưu điểm như suy hao, tán sắc thấp nhưng lại khó có thể bao phủ cho không gian cần sử dụng rộng Mô hình kết nối LOS không chịu ảnh hưởng của nhiễu đa đường.

Mô hình kết nối LOS

Mô hình kết nối

19

 Mô hình kết nối NLOS

Đặc điểm của mô hình này là ánh sáng không đi trực tiếp từ máy phát đến máy thu

mà sẽ phản xạ qua các bề mặt khác nhau trước khi đến máy thu Do vậy, các bề mặt này đóng vai trò như một máy chuyển tiếp ánh sáng từ máy phát đến máy thu Nhược điểm của mô hình này là suy hao rất lớn, chịu ảnh hưởng bởi nhiễu đa

đường nhưng lại có độ phủ sóng rộng hơn so với mô hình

Mô hình kết nối NLOS

Các đặc trưng của công nghệ VLC

20

 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR

Tỷ lệ SNR được biểu diễn công thức như sau:

= Trong đó: là hệ số chuyển đổi quang điện

là công suất quang nhận được toàn phần

 Phương sai của nhiễu nhiệt được tính theo công thức

Trong đó: k là hằng số Boltzmann, là nhiệt độ tuyệt đối Kenvil (K),G là khuếch đại vòng hở, là hiệu số điện dung, là hệ số nhiễu kênh FET

 Phương sai của nhiễu bắn được tính theo công thức

+2q Trong đó: q là điện tích; là công suất tín hiệu nhận được ở đầu ra, là dòng điện nền



Tốc độ truyền dữ liệu

21

 Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ truyền dữ liệu như bộ lọc quang, góc FOV ở bộ nhận, góc nửa công suất, loại PD được

sử dụng, các bộ điều chỉnh tại máy phát (pre-equalization)

 Để nâng cao tốc độ truyền dữ liệu chúng ta cần phải tối ưu hóa những vấn đề đã được để nêu ở trên Ảnh hưởng của việc hạn chế băng thông của lớp phủ phốt pho phải được loại bỏ

Ứng dụng của công nghệ VLC

22

Mô hình các thiết bị đầu cuối với môi trường trong nhà

Ứng dụng của công nghệ VLC 23

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

MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ

25

CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ

26

 Trong phương thức FDM, mỗi LED được cố định một tần số đóng cắt, cho

phép tất cả các LED trong hệ thống phát tín hiệu liên tục về vị trí tọa độ của chúng đến máy thu trên kênh truyền quang không dây

PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ DỰA TRÊN THỜI GIAN SÓNG ÁNH SÁNG

TỚI (TOA)

28

 Ứng với mỗi đèn LED chúng ta sẽ nhận được một phương trình đường tròn

tưởng tượng Nếu máy thu nằm giữa vùng phủ của nhiều đèn LED thì chúng ta

sẽ nhận được một tập các phương trình của các đường tròn tưởng tượng.

PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ DỰA TRÊN THỜI GIAN SÓNG ÁNH SÁNG

TỚI (TOA)

29

 Giả sử, vị trí của thiết bị là (x, y) và vị trí cho trước của bộ phát thứ i là (xi ,yi), i=1,2,…… M; trong đó M là số lượng bộ phát Khoảng cách từ bộ phát thứ i

đến thiết bị (được kí hiệu là di) và thời gian truyền tín hiệu ánh sáng (được kí

hiệu là ti) trong trường hợp không có nhiễu được tính như sau:

 Giả sử sai số tác động lên phép đo trên được kí hiệu là ni, khi đó công thức trên

sẽ được viết lại như sau:

PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ DỰA TRÊN THỜI GIAN SÓNG ÁNH SÁNG

TỚI (TOA)

30

Vị trí thiết bị trong vùng giao cắt của các đường tròn

PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ DỰA TRÊN ĐỘ CHÊNH LỆCH THỜI

GIAN CỦA CÁC SÓNG ÁNH SÁNG TỚI(TDOA)

31

 Khác với TOA phương pháp TDOA không tính toán khoảng cách truyền tín

hiệu ánh sáng trực tiếp từ bộ phát tới bộ nhận mà thay vào đó là tính độ chênh lệch giữa các khoảng cách truyền từ các bộ phát tới bộ nhận Bộ nhận sẽ đo thời gian tới của sóng ánh sáng phát ra từ ít nhất ba đèn LED khác nhau.

Mô hình hệ thống TDOA

PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ DỰA TRÊN ĐỘ CHÊNH LỆCH THỜI

GIAN CỦA CÁC SÓNG ÁNH SÁNG TỚI (TDOA)

32

từng cặp:

nhận; c là vận tốc ánh sáng; Τij là độ chênh lệch thời gian truyền tín hiệu ij là độ chênh lệch thời gian truyền tín hiệu ánh sáng; (x, y) là tọa độ của thiết bị và (xi , yi) và (xj , yj ) lần lượt là tọa

độ của bộ phát thứ i và j

PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ DỰA TRÊN ĐỘ CHÊNH LỆCH THỜI

GIAN CỦA CÁC SÓNG ÁNH SÁNG TỚI (TDOA)

33

 Phương pháp TDOA còn được gọi là phương pháp định vị hyperbol Vị trí của thiết bị được tính toán bằng cách tìm điểm giao cắt của các đường hyperbol

này.

PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ DỰA TRÊN CƯỜNG ĐỘ TÍN HIỆU NHẬN

ĐƯỢC (RSS)

34

 Chúng ta có thể định vị vị trí của thiết bị nhận bằng việc đo công suất của tín hiệu quang nhận được tại photodetector Sau đó, bộ nhận sẽ tính toán khoảng cách từ nó đến bộ phát (các đèn LED) dựa trên mô hình truyền tín hiệu qua

kênh ánh sáng nhìn thấy được Khi đó, công suất quang Pr của kênh truyền ánh sáng nhìn thấy nhận được tại photodetector là:

 Trong đó góc của ánh sáng tới là ψ bằng với góc rọi của ánh sáng ϕ

PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ DỰA TRÊN CƯỜNG ĐỘ TÍN HIỆU NHẬN

ĐƯỢC (RSS)

35

 Các điểm sáng có cùng công suất Pr sẽ nằm trên một đường tròn tưởng tượng

có tâm là hình chiếu thẳng đứng của đèn LED lên mặt phẳng sàn Phương pháp định vị này cũng cần ít nhất ba bộ phát để xác định được điểm giao cắt giữa các đường tròn.

PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ DỰA TRÊN GÓC CỦA SÓNG ÁNH SÁNG

TỚI (AOA)

36

 Góc của sóng ánh sáng tới (AOA) được định nghĩa là góc giữa hướng truyền của một sóng ánh sáng tới và hướng của nguồn tham khảo (đèn LED) Mô hình này sử dụng một mảng các PD được gắn trên một khung nửa đường tròn thay vì

sử dụng một PD cho bộ nhận.

PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ DỰA TRÊN GÓC CỦA SÓNG ÁNH SÁNG

PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ DỰA TRÊN GÓC CỦA SÓNG ÁNH SÁNG

PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ DỰA TRÊN GÓC CỦA SÓNG ÁNH SÁNG

TỚI (AOA)

39

 Khoảng cách giữa các đèn LED1 và

LED2 đến bộ nhận lần lượt là Dd1 và

Dd2 được tính toán từ độ cao h của đèn

LED và góc ước lượng Dd1và Dd2như

sau:

PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ DỰA TRÊN GÓC CỦA SÓNG ÁNH SÁNG

TỚI (AOA)

40

 Tọa độ một chiều của thiết bị nhận sẽ được xác định như sau:

 Trong đó:

ỨNG DỤNG CỦA ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ DÙNG VLC

TRONG CÁC TRẠM VẬN CHUYỂN

42

 Hành khách sẽ được hướng dẫn đến cổng để xuất phát

 Ngoài ra còn giúp cho máy bay hay xe khách tìm đúng nơi nhận và trả khách.

TRONG BẢO TÀNG, PHÒNG TRIỄN LÃM

 Dùng đèn LED để truyền dữ liệu cung cấp thông tin về tác phẩm đến khách

tham quan.

 Giúp người dùng tìm đến quầy trưng bày sản phẩm, người dùng còn có thể quét

để xem chi tiết thông tin sản phẩm.

TRUNG TÂM MUA SẮM

TRONG VĂN PHÒNG, TRƯỜNG HỌC

 Giao tiếp với nhau qua hệ thống VLC, tìm kiếm hay dẫn đường đến phòng làm việc, giảng đường.

TRONG BỆNH VIỆN

 Việc sử dụng sóng ánh sáng sẽ hạn chế gây nhiễu đến các thiết bị trong bệnh viện.

TRONG CÔNG NGHIỆP, NHÀ KHO VÀ NƠI CÔNG CỘNG

 Dùng các ánh sáng của đèn LED để dẫn đường robot di chuyển đến nơi mà

người dùng mong muốn hoặc tìm vị trí còn trống trong bãi đỗ xe.

MÔ HÌNH ĐỊNH VỊ TRONG HỆ THỐNG VLC HOẠT

ĐỘNG TRONG NHÀ

48

Thuật toán tạo giao điểm

tam giác (Trilateration)

Thuật toán k lân cận gần

nhất (WkNN)