Tổng quan về mạng không dây và công nghệ mạng li fi kiến trúc và Ứng dụng của công nghệ li fi

Đặc điểm của truyền thông Li-Fi Truyền thông bằng ánh sáng khả kiến Lifi là một nhánh của truyền thông quang không dây liên quan đến sóng điện từ trong phổ khả kiến.. Ưu điểm của Li-Fi

Mục Lục

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY VÀ CÔNG NGHỆ MẠNG LI-FI 1 1.1 Công nghệ Fi chuẩn 802.11bb 1.1.1 Đặc điểm của truyền thông

Li-Fi 1

1.1.2 Ưu điểm của Li-Fi so với Wi-Fi 1

1.1.3 Triển vọng và thách thức của Li-Fi 2

1.2 Kết luận chương 1 3

CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC VÀ ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ LI-FI 4

2.1 Mô hình hệ thống VLC Li-Fi 4

2.2 Ứng dụng của công nghệ LiFI 5

2.2.1 Ứng dụng trong gia đình 5

2.2.2 Ứng dụng trong y tế 5

2.2.3 Ứng dụng trong môi trường dưới nước 5

2.2.4 Ứng dụng trong giao thông 5

2.2.5 Ứng dụng trong hệ thống giáo dục 6

2.2.6 Ứng dụng trong du lịch hàng không 6

2.2.7 Ứng dụng trong truyền thông, quảng cáo 6

2.3 Kết luận chương 2

7 CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH ĐỊNH VỊ TRONG LI-FI 8

3.1 Lý thuyết về mô hình định vị trong Li-Fi 8

3.1.1 Mô hình hệ thống 8

3.1.2 Phương pháp định vị Trilateration 9

3.1.3 Nhiễu hệ thống 13

3.2 Phân tích và đánh giá chất lượng mô hình 14

3.2.1 Các thông số mô phỏng 14

3.2.2 Kết quả mô phỏng 17

3.3 Kết Luận Chương 19

InterconnectionReference Mode

Mô hình tham chiếu kếtnối các hệ thống mở

Network

Mạng nội bộ không dây

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY VÀ CÔNG

NGHỆ MẠNG LI-FI

1.1 Công nghệ Li-Fi chuẩn 802.11bb

1.1.1 Đặc điểm của truyền thông Li-Fi

Truyền thông bằng ánh sáng khả kiến Lifi là một nhánh của truyền thông quang không dây liên quan đến sóng điện từ trong phổ khả kiến Công nghệ này sử dụng tần số từ 400-800 THz để truyền tải thông tin Đây là dải quang phổ trải từ màu đỏ tới màu tím, là những màu ánh sáng mà mắt người có thể cảm nhận được

Bảng 1 Đặc điểm của chuẩn 802.11bb

trực tiếp

Khoảng cách truyền

1.1.2 Ưu điểm của Li-Fi so với Wi-Fi

Ưu điểm của Li-Fi

Công nghệ Li-Fi hoạt động bằng cách sử dụng nguồn sáng đểtruyền dữ liệu và có thể khai thác mọi phần của quang phổ, từánh sáng nhìn thấy đến không nhìn thấy Với tốc độ truyền tải cựcnhanh, công nghệ này đủ mạnh để người dùng có thể tải phim,nhạc và trò chơi chỉ trong tích tắc, đồng thời khắc phục các hạnchế của Wi-Fi hiện tại Nhờ có băng thông rộng hơn sóng vô tuyếnđến 10.000 lần, Li-Fi cung cấp dung lượng truyền tải vượt trội Sửdụng đèn LED - công nghệ tiêu thụ ít năng lượng, Li-Fi còn rất

hiệu quả về mặt năng lượng Hiện nay, trên thế giới có hàng tỷbóng đèn có thể dễ dàng chuyển đổi thành đèn LED truyền dữliệu, mở ra tiềm năng cho hệ thống Li-Fi phổ biến rộng rãi trongtương lai, với các điểm phát sóng miễn phí ở khắp nơi Bên cạnh

đó, ánh sáng trong Li-Fi không thể xuyên qua tường nên an toànhơn, hạn chế việc bị chặn hay sử dụng sai mục đích Li-Fi còn làgiải pháp truyền thông lý tưởng ở những nơi không thể sử dụngWi-Fi, như dưới nước, trong cabin máy bay, hay nhà máy điện hạtnhân Quan trọng hơn, công nghệ này an toàn cho con người vìkhông xâm nhập vào cơ thể như sóng vô tuyến

Bảng 1.2 So sánh Li-Fi với Wi-Fi

Truyền dữ liệubằng sóng radio

phổ ánh sáng nhìnthấy lớn hơn10.000 lần so vớiphổ sóng radio

Thấp hơn rấtnhiều so vớibăng thông của

Đắt hơn do sửdụng sóng radio

để truyền tin.Thiết bị phầncứng rẻ hơn

sử dụng sóngradio

Sử dụng sóngradio dễ bị tin

tặc

trường đặc biệtkhông cho phéptruyền sóng điện

từ như trên máy

Linh hoạt

bay, trong phòng

mổ, dưới nước,trong hầm lò…

1.1.3 Triển vọng và thách thức của Li-Fi

Mặc dù Li-Fi vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu, Wi-Fi hiệnvẫn là công nghệ nổi bật nhờ sự tăng trưởng mạnh của các thiết

bị IoT Theo ABI Research, đến đầu năm 2015 đã có 10 tỷ thiết bịWi-Fi được tung ra thị trường, với hơn một nửa hỗ trợ băng tầnkép (2,4 GHz và 5 GHz) Các thiết bị Wi-Fi dự kiến sẽ tiếp tục bùng

nổ nhờ các biến thể mới như HaLow, WeGig và LTE-U Tuy nhiên,Li-Fi có tiềm năng lớn trong tương lai, đặc biệt trong các môitrường như bệnh viện, trường học, tàu và máy bay, đồng thời giúpgiảm tắc nghẽn sóng vô tuyến và các điểm chết của mạng khôngdây Để được ứng dụng rộng rãi, Li-Fi cần tiếp tục cải tiến để khắcphục các yếu điểm hiện tại

Công nghệ Li-Fi hiện đối mặt với nhiều thách thức Ánh sángnhìn thấy không thể xuyên qua tường, khiến dữ liệu dễ bị chặn bởicác vật cản Độ tin cậy của Li-Fi cũng bị ảnh hưởng bởi nhiễu từánh sáng mặt trời, đèn và các vật liệu chắn trong đường truyền.Chi phí ban đầu cho việc triển khai Li-Fi khá cao, nhưng chi phívận hành sẽ giảm sau đó Li-Fi yêu cầu đường ngắm trực tiếp đểtruyền dữ liệu hiệu quả, và điều này dễ bị gián đoạn bởi các vậtcản Thêm vào đó, thiết bị tiếp nhận còn hiếm và khó truyền dữliệu ngược lại máy phát Li-Fi cũng không thể hoạt động tốt trongcác khu vực địa hình cao hoặc xa xôi, và không thể xuyên quatường hoặc các vật liệu dày như sóng vô tuyến

nhanh chóng Chương II sẽ đi sâu vào mô hình, nguyên lý hoạtđộng và các yếu tố ảnh hưởng đến mạng Li-Fi.

CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC VÀ ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ

LI-FI 2.1 Mô hình hệ thống VLC Li-Fi

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống LiFi

Hệ thống LiFi hoạt động bằng cách truyền dữ liệu không dây thông qua ánhsáng phát ra từ đèn LED Quá trình bắt đầu khi dữ liệu từ Internet hoặc server đượctruyền đến bộ điều khiển đèn (Lamp Driver) Bộ điều khiển này điều chỉnh cường

độ ánh sáng phát ra từ đèn LED bằng cách bật tắt đèn ở tần số rất cao Sự thay đổicường độ này diễn ra cực nhanh, mắt người không thể phát hiện được, nhưng nómang theo tín hiệu dữ liệu đã được mã hóa

Đèn LED phát ánh sáng chứa dữ liệu truyền qua không gian, và ở phía nhận,thiết bị thu (Receiver Dongle) chứa một cảm biến quang (Photo Detector) Cảmbiến này có nhiệm vụ phát hiện sự thay đổi trong ánh sáng từ đèn LED Khi ánhsáng tới cảm biến, nó sẽ chuyển đổi những thay đổi về cường độ ánh sáng thành tínhiệu điện

Tín hiệu điện sau đó được gửi vào một bộ khuếch đại và xử lý

(Amplification & Processing) để được khuếch đại và giải mã thành dữ liệu kỹ thuật

số Cuối cùng, dữ liệu này được truyền vào máy tính hoặc các thiết bị nhận khác dưới dạng dữ liệu ứng dụng (Received App Data) Hệ thống cho phép truyền tải thông tin không dây với tốc độ cao nhờ vào việc sử dụng ánh sáng thay vì sóng vô tuyến, phù hợp cho các môi trường yêu cầu băng thông cao hoặc nơi sóng vô tuyến

tế có thể giám sát, tư vấn ca mổ từ xa

2.2.3 Ứng dụng trong môi trường dưới nước

Trong trường hợp Wi-Fi, không thể liên lạc qua nước vì sóng

vô tuyến nhanh chóng bị hấp thụ trong nước ngăn cản liên lạc vôtuyến dưới nước, nhưng ánh sáng có thể xuyên qua trong khoảngcách lớn Do đó, Li-Fi có thể cho phép liên lạc dưới nước

Li-Fi có thể hoạt động dưới nước trong khi Wi-Fi bị lỗi hoàntoàn Sử dụng Li-Fi trong các ROV dưới nước (Phương tiện hoạtđộng từ xa) sẽ cho phép chúng giao tiếp với nhau bằng nguồnsáng thay vì sử dụng dây cáp Ngoài ra, các thợ lặn có thể liên lạcbằng cách sử dụng đèn pha của họ Li-Fi không phát ra nhiễu điện

từ và do đó không gây nhiễu cho các thiết bị y tế, không bị nhiễubởi máy quét MRI vì tần số của nó nằm trong quang phổ nhìn thấyđược như trong sơ đồ dưới đây

2.2.4 Ứng dụng trong giao thông

Đèn pha và đèn hậu của xe ngày nay đang dần được thaythế bằng các phiên bản LED Điều này mang lại khả năng giaotiếp giữa ô tô với ô tô bằng cách sử dụng LiFi, cho phép phát triển

hệ thống chống va chạm và trao đổi thông tin về điều kiện lái xegiữa các phương tiện (đèn LED xe có thể cảnh báo người lái khicác phương tiện khác quá gần)

Đèn giao thông cũng có thể được sử dụng đã sử dụng đènLED, do đó, nó tạo cơ hội để quản lý hệ thống giao thông Điềunày cũng sẽ cho phép các hệ thống ô tô tải xuống thông tin cósẵn trên mạng về các tuyến đường tối ưu để đi và cập nhật mạng

về các điều kiện mà các phương tiện cá nhân đã trải qua gần đây

2.2.5 Ứng dụng trong hệ thống giáo dục

Li-Fi có thể được sử dụng trong môi trường giáo dục đểInternet tốt hơn và nhanh hơn, bằng cách sử dụng bóng đèn LED,mọi người đều có thể sử dụng cùng tốc độ mạng phục vụ cho cácthiết bị công nghệ trong quá trình học tập

Li-Fi là công nghệ hàng đầu giúp cải thiện tốc độ truy cậpinternet với băng thông lớn Do đó, các cơ sở giáo dục và tổ chức

có thể sử dụng công nghệ này để có khả năng truy cập internetvới tốc độ cao cho hội nghị truyền hình, tải xuống hướng dẫn kỹthuật số và học tập trực tuyến

2.2.6 Ứng dụng trong du lịch hàng không

Sử dụng Li-Fi trong máy bay, cho phép hành khách tận dụnglợi thế của kết nối tốc độ dữ liệu cao mọi lúc mà không tạo ranhiễu điện từ (EMI) với thiết bị vô tuyến nhạy cảm trên sàn đáp.Việc giảm yêu cầu về hệ thống cáp cũng có nghĩa là một chiếcmáy bay nhẹ hơn

Hệ thống Li-Fi cho phép hành khách đi máy bay sử dụngthiết bị điện tử cá nhân Các chuyến bay kéo dài nhiều giờ nhưng

vì lý do an toàn không cho phép hành khách sử dụng máy PC haysmartphone làm ảnh hưởng tới hệ thống điện tử điều khiển máybay) Hệ thống gồm đèn LED mã hóa tín hiệu Internet và gửi tínhiệu ánh sáng LED đến từng đầu thu tín hiệu quang đặt trên ghếngồi của hành khách Hành khách có thể dễ dàng kết nối cổng

này vào smartphone hay máy PC của mình Hệ thống này giảm60% trọng lượng cáp truyền dẫn so với công nghệ Wi-Fi

2.2.7 Ứng dụng trong truyền thông, quảng cáo

Bằng cách hợp nhất đèn đường và phương tiện hiển thị ánhsáng của cửa hàng làm kênh phát Li-Fi, có thể truyền thông tinquảng cáo như ưu đãi và phiếu giảm giá đặc biệt Vì vậy, điều nàytạo cơ hội cho mô hình kinh doanh bán lẻ mới xuất hiện Thông tinsản phẩm, thông tin danh mục, phiếu giảm giá và video quảngcáo đều có thể được cung cấp cho người mua hàng

2.3 Kết luận chương 2

Qua chương 2, ta thấy rằng mạng Li-Fi có tiềm năng thích hợp sử dụng cho môi trường các doanh nghiệp nhỏ như trong phòng họp hoặc tại những nơi không sử dụng đến sóng điện từ để truy cập Internet như trong máy bay hay trong bệnh viện Các thiết bị thu phát Li-Fi được sản xuất đã cho phép các thiết bị ngườidùng truy cập Internet với tốc độ cao

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH ĐỊNH VỊ TRONG LI-FI

3.1 Lý thuyết về mô hình định vị trong Li-Fi

3.1.1 Mô hình hệ thống

Hình 3.1 mô tả mô hình hệ thống định vị trong nhà dùng công nghệ VLCLiFi Hệ thống bao gồm tập các đèn LED chiếu sáng được gắn trên trần nhà và mộtmáy thu di chuyển trên nền nhà Các đèn LED vừa có chức năng chiếu sáng vừa làcác bộ phát tham chiếu, phát ra dữ liệu về vị trí vật lý của chúng Một máy thu truyxuất thông tin vị trí từ các tín hiệu quang của các đèn LED và tính toán ra được vịtrí chính xác của nó

Hình 3.1 Mô hình hệ thống định vị trong nhà dùng công nghệ VLC LiFi

Kích thước của mô hình là phòng chiều dài L = 5m, chiều rộng W = 5m,máy thu di chuyển trên sàn nhà cách trần nhà h = 3m Tọa độ của các đèn LEDtương ứng khi chiếu trên mặt sàn là

A (-1.25,-1.25), B (1.25,-1.25),

C (-1.25,1.25), D (1.25,1.25)

3.1.2 Phương pháp định vị Trilateration

3.1.2.1 Ghép kênh TDM

Phương thức ghép kênh TDM được sử dụng, các LED phát A, B, C, D lầnlượt phát mã vị trí của nó trong các khe thời gian được qui định LED A phát mã vịtrí của nó ở khe thời gian thứ 1, mã của LED A là 0111 LED B phát mã vị trí của

nó ở khe thời gian thứ 2, mã vị trí LED B là 1011 LED C phát mã vị trí của nó ởkhe thời gian thứ 3, mã vị trí của LED C là 1101 LED D phát mã vị trí của nó ởkhe thời gian thứ 4, mã vị trí của nó là 1110 Các mã vị trí này được mã hóa kiểuOOK Các khe thời gian còn lại các LED được giữ mức ON để chiếu sáng

Hình 3.2 Ghép kênh TDM trong VLC LiFi

3.1.2.2 Kênh truyền quang không dây trong nhà

Hình 3.3 Mô hình kênh truyền trong nhà

Kênh truyền quang trong luận văn này được giả thuyết là kênh truyền thẳngLOS Trong kênh truyền LOS, độ lợi kênh có thể được ước lượng gần đúng bằngcách cho là chỉ bao gồm đường truyền thẳng Độ lợi DC kênh truyền được tính nhưsau:

cos(θ ) lần lượt là độ nhạy của LED và PD; g (θ) là độ tập trung ánh sáng:

Trong đó, n là hệ số khúc xạ; θ c là góc mở tối đa của một PD Khi đó, ông

suất quang P r của kênh truyền VLC LiFi được tại PD là:

P r=H d (0) P t

(3.4 )

Trong đó, P t là công suất phát từ đèn LED

3.1.2.3 Thuật toán xác định vị trí Trilateration

Trong hệ thống này, thông tin RSS của tín hiệu nhận được sẽ được dùng để tính toán khoảng cách giữa máy thu và máy phát trên trần nhà, sau đó máy thu sẽ được định vị bằng thuật toán đo đạc tam giác Lưu đồ thuật toán Trilateration đượctrình bày như hình 3.4

Hình 3.4 Lưu đồ thuật toán định vị Trilateration

Mỗi LED phát sẽ đơn giản phát mã của nó được điều chế OOK Một LEDphát sẽ sử dụng một khe thời gian trong một khung, trong khi đó công suất phảigiữ nguyên để phục vụ mục đích chiếu sáng Vì vậy, máy thu sẽ được nhận chỉ mộttín hiệu điều chế trong một giai đoạn trong hầu hết thời gian Điều chế OOK được

sử dụng trong hệ thống với độ sâu điều chế là 12.5% để giảm hiện tượng nhấpnháy Công suất phát được cho theo công thức (3.1):

P t=η 00 k P c onst

(3.5)

Trong đó, η 00 k là độ sâu điều chế của điều chế OOK được cho là 0,125 P const

là công suất quang phát của LED khi không điều chế

Vì vậy, công suất tại máy thu được cho theo công thức sau:

P r=H (0) P t=(m+ 1) A

2 π d2 cosm ( ϕ) Ts (θ ) g s (θ )cos (θ )

(3.6 )Giả thuyết góc FoV của máy thu đủ lớn sao cho 0 ≤ θ ≤θ c, khoảng cách ướclượng giữa máy phát và máy thu là d est được tính toán bằng P r tại máy thu như sau:

d est=√( m+1) A cos m (ϕ ) Ts(θ ) g s (θ )cos (θ ) P t

2 π P r

( 3.7 )Giả thuyết máy thu di chuyển trên mặt phẳng song song với mặt phẳng LED, ta có:

d est=√r est2 +h2

(3.8 )

cos( ϕ)=cos(θ )=h/d est

(3.9 )

Trong đó r est là hình chiếu khoảng cách d est trên mặt phăng xy máy thu, h là

chiều cao của trần nhà và mặt phẳng máy thu Khi đó r est xem như là bán kính của

đường tròn có tâm là tọa độ của đèn LED

Nếu biết được 3 khoảng cách ước lượng đến 3 đèn LED bất kỳ tương ứngbiết được 3 bán kính của 3 đèn LED đó Vị trí của máy thu là giao điểm của 3đường tròn này hay chính là nghiệm của 3 phương trình bậc hai

Hình 3.5 Giải thuật đo đạc tam giác Trilateration

Trong đó, (x−x A), (x−x B), (x−x C) là tọa độ của đèn LED A, B, C trên trục X vàY; r Aest, r Best, r Cest là hình chiếu khoảng cách ước lượng máy thu và LED trên mặtphẳng OXY; ( x , y ) là vị trí cần được ước lượng của máy thu.

Để tính được vị trí ( x , y ) của máy thu ta phải giải hệ 3 phương trình trên, 3phương trình trên dược viết lại như sau:

{2(x B−x A)x +2(y B−y A)y=(r2Aest−r Best2 )−(x2A−x B2)−(y2A−y B2)

2(x C−x A)x +2(y C−y A)y=(r2Aest−r Cest2 )−(x2A−x C2)−(y2A−y C2)

(3.11 )Khi đó nghiệm của hệ phương trình có dạng:

Nếu có nhiều hơn 3 điểm tham chiếu, tất cả các nhóm phương trình đượcthành lập từ bất kỳ 3 phương trình bậc hai đều được giải để có được 1 tọa độ ( x , y ).

Trong hệt thống này ta có 4 vị trí tham chiếu nên có C(4,3) =4 hệ phương trình giải

ra được 4 tọa độ ( x , y ) của máy thu Sau đó vị trí ước lượng của máy thu là trungbình của 4 nghiệm này

3.1.3 Nhiễu hệ thống

Tín hiệu tại đầu ra của PD chứa một nhiễu Gauss có tổng phương sai N củacác nhiễu thành phần: nhiễu bắn, nhiễu nhiệt , và nhiễu liên kí tự ISI Tuy nhiênnhiễu ISI có thể coi là không đáng kể khi thời gian tín hiệu truyền đi đủ lớn Do đónguồn nhiễu chủ yếu được gây ra bởi nhiễu bắn và nhiễu nhiệt:

SNR= γ

2P r2

N

(3.15)

Trong đó, Pr là công suất quang nhận được toàn phần được tính bởi độ lợi

DC của kênh truyền trên đường truyền trực tiếp H(0) ; γ là hệ số chuyển đổi quangthành điện của PD

Phương sai của nhiễu bắn được tính như công thức:

σ shot2 =2 qγγ Pr B+2 qγ I bg I2B

(3.16)

Trong đó, q là điện tích; P r là công suất tín hiệu điện nhận được ở đầu ra của

PD; B là băng thông nhiễu của máy thu được lấy bằng băng thông điện và tốc độ

truyền dữ liệu trong trường hợp xấu nhất; I bglà dòng điện nền và hệ số băng thôngnhiễu là I2 = 0.562

Phương sai của nhiễu nhiệt được tính theo công thức:

Trong đó, k là hằng số Boltzmann; T k là nhiệt độ tuyệt đối Kenvil (K); G là

hệ số khuếch đại điện áp vòng hở; η là hệ số điện dung của PD trên mỗi đơn vị diện tích; Γ hệ số nhiễu kênh FET; gm là độ hỗ dẫn và I3 = 0.0868

3.2 Phân tích và đánh giá chất lượng mô hình

Vị trí của các LED (x,y,z) (m)