NGHIÊN cứu CÔNG NGHỆ MẠNG KHÔNG dây LIFI và ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG

THUẬT NGỮ VIẾT TẮTAPD Avalanche Photodiode Diode tách quang thác AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gaussian trắng cộng CMOS Comlementary CPC Compound Parabolic Concentrator Bộ t

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO

TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

PHẠM VĂN LONG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ MẠNG KHÔNG DÂY LIFI

VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG

HẢI PHÒNG - 2016

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO

TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn: Th.S Ngô Xuân Hường

HẢI PHÒNG - 2016

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt những năm học vừa qua em đã được các thầy cô giáo trongtrường đại học Hàng Hải,khoa Điện-Điện Tử và các thầy cô Bộ môn Điện TửViễn Thông nói riêng đã giảng dạy và truyền đạt cho em những kiến thức quýbáu,em xin chân thành cảm ơn thầy cô rất nhiều!

Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo Th.s Ngô Xuân Hường,thầy đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt quá trìnhlàm đồ án tốt nghiệp Trong thời gian làm việc với thầy, em đã được thầy chỉbảo tận tình ,hướng dẫn sưu tầm tài liệu,bổ sung nhiều kiến thức bổ ích để xâydựng nên đồ án tốt nghiệp này, đây là những điều rất cần thiết cho em trongquá trình học tập và công tác sau này

Sau cùng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã độngviên, đóng góp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoànthành đồ án tốt nghiệp!

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan :

1.Những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướngdẫn của thầy Th.s Ngô Xuân Hường

2.Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng tên tácgiả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố

3.Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôixin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Sinh viênPhạm Văn Long

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC HÌNH VẼ viii

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠNG KHÔNG DÂY 2

1.1.Lịch sử hình thành và phát triển công nghệ mạng không dây 2

1.2 Phân loại mạng không dây WLAN 3

1.2.1 Các WLAN vô tuyến 3

1.2.2 Các WLAN hồng ngoại 4

1.2.3 WLAN dùng ánh sáng nhìn thấy LiFi 4

1.3 Các tiêu chuẩn mạng không dây WLAN 5

1.3.1 Các Chuẩn WLAN phổ biến 5

1.3.2 Một số chuẩn truyền thông không dây thế hệ mới 6

1.4 Ứng dụng và ưu nhựơc điểm của mạng không dây WLAN 6

1.4.1 Ứng dụng của Wlan 6

1.4.2 Ưu nhược điểm của mạng không dây WLAN 7

Chương II : Nghiên cứu công nghệ mạng không dây LiFi 9

2.1 Khái niệm vềLiFi và Lịch sử hình thành phát triển 9

2.1.1 Khái Niệmvề LiFi 9

2.2 Ưu điểm của công nghệ LiFi (Light Fidelity) 11

2.2.1.Dung lượng 11

2.2.2 Hiệu năng 12

2.2.3 An toàn 12

2.2.4 Bảo mật 12

2.3 Hệ thống phát được sử dụng trong công nghệ mạng không dây LIFI 13

2.3.1 Mô hình thành phần phát 13

2.3.2 LED 13

2.4 Các phương pháp điều chế và điều chỉnh độ sáng trong LIFI 17

2.4.1 Phương pháp điều chế khóa bật tắt On-Off Keying (OOK) 17

2.4.2 Phương pháp điều chế vị trí xung biến đổi (Variable Pulse Position Modulation – VPPM) 20

2.4.3 Phương pháp điều chế Khóa dịch màu (Color-Shift Keying) 22

2.5 Kỹ thuật mã hóa 32

2.6 Mô hình kênh và mô hình kết nối 33

2.6.1 Mô hình kênh 33

2.6.2Mô hình kết nối 34

2.7 Nhiễu trong LIFI 36

2.8 Phần tử thu trong hệ thống LIFI 38

2.8.1 Diode tách quang 38

2.8.2 Chip cảm biến hình ảnh (Image Sensor – IS) 40

2.8.3 Bộ tập trung quang 41

2.8.4 Bộ lọc quang 42

CHƯƠNG III – NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ 43

KHÔNG DÂY LIFI 43

3.1 Ứng dụng công nghệ LIFI 43

3.1.1 Mô hình thiết bị đầu cuối ứng dụng LIFI 43

KẾT LUẬN 53

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

APD Avalanche Photodiode Diode tách quang thác

AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gaussian trắng cộng

CMOS Comlementary

CPC Compound Parabolic Concentrator Bộ tập trung quang parabol

kết hợp

FIT Fraunhofer Insitute of

Telecommunications Viện truyền thông Fraunhofer

FSO Free-Space Optical Truyền dẫn quang trong

không gian tự do

IM/DD Intensity Modulation/Direct

Detection

Điều chế cường độ/tách sóng trực tiếp

ISI Intersymbol Interference Xuyên nhiễu

JEITA Japan Electronics and Information

Technology Industries Association

Hiệp hội công nghệ thông tin

và điện tử Nhật BảnLED Light Emitting Diode Diode phát quang

Li-Fi Light Fidelity Truyền thông không dây sử

dụng ánh sáng nhìn thấy

MFTP Maximum Flickering Time Period Thời gian nhấp nháy tối đa

MIMO Multi-Input Multi-Output Kỹ thuật truyền dẫn đa thu

phátMLL Mesuared Level of Light Mức ánh sáng đo được

PLC Power Line Communication Truyền thông bằng đường

điệnPLL Perceived Level of Light Mức độ sáng cảm nhận đượcPoE Power over Ethernet Cấp nguồn qua cáp EthernetPPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung

PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

VLC Visible Light Communication Truyền thông bằng ánh sáng

nhìn thấyVPPM Variable Pulse Position

Modulation Điều chế vị trí xung biến đổiWi-Fi Wireless Fidelity Truyền thông không dây sử

2.1 Chu trình phát triển của công nghệ LIFI được thống kê 11

2.2 Các dải màu trong không gian màu CIE 1931 với tọa

độ màu (x, y)

24

2.3 Các trường hợp kết hợp dải màu hợp lệ 262.4 Tọa độ của các điểm ký hiệu với 3 dải màu được chọn 312.5 Tốc độ của ba phương pháp điều chế với các loại mã

2.6 Một số loại Diode PIN của hãng HAMAMATSU 403.1 Các ứng dụng với môi trường trong nhà 433.2 Một vài thông số về hệ thống MIMO của đại học

2.6 Phổ phát xạ của (a) LED đơn chip và (b) LED

2.7 Hàm cơ sở (a) và Không gian tín hiệu OOK (b 18

2.8 Tăng độ sáng bằng cách chèn thêm ký hiệu thừa

.10 Mô hình VPPM cấu tạo từ 2-PPM với độ sáng

50% (a) và PWM để điều chỉnh độ sáng (b) 212.11 Dạng sóng của tín hiệu VPPM với độ rộng xung

2.21 Khối mã hóa và điều chế VPPM 32

2.23 Minh họa mô hình kết nối Wide-LOS (FOV rộng) 35

2.24 Minh họa mô hình kết nối Narrow-LOS (FOV

3.6 Mô hình truyền dẫn của đại học Nagoya 47

3.7 Camera thu gắn trong xe (a) và Bảng LED phát

thị (b)

3.11 Giao diện của ứng dụng Picapicamera 50

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, mạng truyền thông không dây vẫn chỉ sử dụng sóng vô tuyếnlàm phương tiện truyền dẫn chính Mặc dù đang rất phát triển với tốc độ ngàycàng tăng nhưng công nghệ này cũng có một số hạn chế như băng thông sẽ tớilúc cạn kiệt (do nhu cầu sử dụng tăng rất nhanh), hạn chế khi sử dụng trongmột số môi trường như bệnh viện (dễ ảnh hưởng tới độ chính xác và chế độhoạt động của các thiết bị y tế), và không thể sử dụng gần khu vực không lưucủa sân bay do đặc tính của sóng vô tuyến có thể gây nhiễu lên điều hành máybay… Mặt khác, sự phát triển mạnh mẽ của Diode phát quang (Light EmittingDiode – LED) với nhiều ưu điểm như hiệu quả chiếu sáng cao, tiết kiệm điệnnăng sẽ giúp hiện thực hóa các ý tưởng sử dụng ánh sáng nhìn thấy để truyềndẫn thông tin

Công nghệ mạng không dây LiFi được xem như là một lời giải cho bàitoán về băng thông cũng như các nhược điểm khác của công nghệ truyềnthông sử dụng sóng vô tuyến với băng thông sử dụng gần như không giới hạn,không gây xuyên nhiễu nên có thể sử dụng ở các môi trường bệnh viện, sânbay Đặc biệt hơn nữa chúng ta có thể xây dựng hạ tầng vừa dùng để chiếusáng vừa dùng để truyền thông sử dụng nguồn phát ánh sáng là các bóng đènLED

Vì vậy, em đã chọn lựa đề tài đồ án tốt nghiệp là “Nghiên cứu công nghệ không dây LiFi và đánh giá khả năng ứng dụng”.

Nội dung đồ án bao gồm ba phần chính sau:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng không dây

Chương 2: Nghiên cứu công nghệ mạng không dây LiFi

Chương 3: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ truyền thông không dây LiFi

Do thời gian và hiểu biết còn hạn chế nên chắc chắn đồ án không tránhkhỏi rất nhiều thiếu sót Em rất mong nhận được sự chỉ dẫn của các thầy côgiáo và ý kiến góp ý của các bạn độc giả để đồ án được hoàn thiện hơn

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠNG KHÔNG DÂY 1.1.Lịch sử hình thành và phát triển công nghệ mạng không dây.

Trong những năm gần đây với sự phát triển vượt bậc về khoa học côngnghệ trên thế giới,con người đã tạo ra hàng loạt những sản phẩm công nghệứng dụng thiết thực trong đời sống thường ngày như điện thoại thôngminh,máy tính xách tay, đồng hồ thông minh,máy tính bảng camera thôngminh,các thiết bị điện tử thông minh đáp ứng đầy đủ mọi nhu cầu sử dụng củacon người trong xã hội

Với sự phát triển mạnh mẽ này cũng kéo theo nhu cầu trao đổi thôngtin giữa các thiết bị trong quá trình làm việc dẫn đến hình thành một mạng kếtnối không dây mới với cái tên WLAN

WLAN mang lại kết nối giữa các thiết bị trong phạm vi hẹp như trườnghọc,bệnh viện tòa nhà vì là kết nối không dây nên nó rất tiện lợi trong quátrình triển khai hạ tầng mạng bổ sung cho kết nối mạng có dây

Việc sử dụng sóng điện từ hoặc sóng hồng ngoại trong môi trường tự

do để truyền dẫn dữ liệu xuyên các vật cản như tường nhà và các cấu trúc vậtthể khác mà không cần sử dụng cáp là một thế mạnh lớn của WLAN

Trên thế giới ngày nay, mạng WLAN được ứng dụng rộng rãi trên tất

cả các quốc gia Với thế mạnh ưu việt như: cài đặt đơn giản,dễ sử dụng,dễ cấuhình không đòi hỏi yêu cầu về cơ sở hạ tầng giống như các mạng LAN truyềnthống, đáp ứng yêu cầu thẩm mỹ khi không sử dụng dây để kết nối,WLANngày càng phát triển và đang dần thay thế cho các kết nối có dây trong nhiềulĩnh vực khác nhau

Công nghệ mạng không dây được giới thiệu lần đầu vào năm 1990 hoạtđộng trêndải tần 900MHz,tốc độ truyền dữ liệu là 1Mbps

Năm 1992, xuất hiện những mạng không dây sử dụng băng tần2.4GHz Mặc dù đã có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn nhưng chúng vẫn lànhững giải pháp riêng của mỗi nhà sản xuất và không được công bố rộng rãi

Sự cần thiết cho việc hoạt động thống nhất giữa các thiết bị ở những tần sốkhác nhau dẫn đến một số tổ chức bắt đầu phát triền ra những chuẩn mạngkhông dây chung.

Năm 1997, IEEE đã phê chuẩn sự ra đời của chuẩn 802.11 áp dụngcho các mạng không dây Chuẩn 802.11 hỗ trợ ba phương pháp truyền tínhiệu, trong đó bao gồm cả phương pháp truyền tải tín hiệu radio ở dải tần số2.4GHz

Năm 1999, IEEE áp dụng thêm hai sự bổ sung cho chuẩn 802.11 làcác chuẩn 802.11b và 802.11a Và các thiết bị mạng không dây dựa trênchuẩn 802.11b đã nhanh chóng trở thành công nghệ không dây vượt trội Cácthiết bị phát trên tần số 2.4GHz, cung cấp tốc độ truyền dữ liệu 11Mbps

Năm 2003, IEEE công bố thêm một sự cái tiến là chuẩn 802.11g cóthể nhận thông tin trên cả hay dãy tần 2.4GHz và 5GHz và nâng tốc độ truyền

dự liệu nên đến 54Mbps Đây là chuẩn được sử dụng rộng rãi vào thời điểmhiện tại

Ngoài ra IEEE còn thông qua chuẩn 802.11n nâng tốc độ truyền dữliệu từ 100-600Mbps vào tháng 9/2009 sau 7 năm nghiên cứu và phát triển

1.2 Phân loại mạng không dây WLAN.

Mạng không dây WLAN phân thành mạng WLAN hồng ngoại vàWLAN vô tuyến và một công nghệ WLAN mớiđang trong quá trình hoànthiện nó sử dụng ánh sáng nhìn thấy(LiFi) WLAN vô tuyến có thể dựa trênquá trình truyền dẫn băng hẹp hay truyền dẫn trải phổtrong khi đó đối với cácWLAN hồng ngoại có thể là khuyếch tán hay được định hướng WLAN LiFitruyền dẫn định hướng

1.2.1 Các WLAN vô tuyến.

Hệ thống WLAN chủ yếu áp dụng công nghệ trải phổ Công nghệ trảiphổđáp ứng quá trình truyền thông tin cậy và an toàn Trải phổđề cập đến các

sơ đồ tín hiệu dựa trên một số dạng mã hoá (độc lập với thông tin được phát

đi) đểtruyền tín hiệu,chúng sử dụng băng thông lớn hơn nhiều so với yêu cầu.Băng thông lớn hơn có nghĩa là nhiễu và các hiệu ứng fading đa đường chỉảnhhưởng một phần đến quá trình truyền dẫn trải phổ Vì vậy mà năng lượng tínhiệu thu hầu như không đổi theo thời gian Điều này cho phép tách sóngdễdàng khi máy thu được đồng bộ với các tham số của tín hiệu trải phổ Cáctín hiệu trải phổ có khảnăng hạn chế nhiễu và gây khó khăn cho quá trình pháthiện và chặn tín hiệu trên đường truyền Có hai kỹ thuật trải phổ: Trải phổchuỗi trực tiếp (DSSS) và trải phổ nhảy tần (FHSS).

1.2.2 Các WLAN hồng ngoại.

Hệ thống này sử dụng sóng hồng ngoại để truyền dữ liệu cho truyền dẫn

vô tuyến Tia hồng ngoại có băng thông không cấp phép rất dồi dào, nó loại

bỏ được nhiễu vô tuyến, các thiết bị hồng ngoại nhỏ và tiêu thụ ít công suất.Không giống như các sóng vô tuyến, các tần số hồng ngoại là quá cao đểthực hiện điều chế giống như đối với các tần số vô tuyến Vì vậy, các đườngtruyền hồng ngoại thường dựa trên cơ sở điều chế xung bật- tắt và tách sóngtín hiệu quang Quá trình truyền dẫn xung bật- tắt được thực hiện bằng cáchbiến đổi cường độ (biên độ) dòng điện trong máy phát hồng ngoại như là laserdiode hay diode phát quang chẳng hạn Theo cách này, dữ liệu được mang đibởi cường độ (chứ không phải là pha hay tần số) của sóng ánh sáng Các hệthống hồng ngoại sử dụng hai thành phần vật lý khác nhau (các bộ phát và các

bộ tách) để phát và thu tín hiệu sóng quang Điều này trái ngược với các hệthống vô tuyến vì ở đó sử dụng một anten chung để phát và thu tín hiệu

1.2.3 WLAN dùng ánh sáng nhìn thấy LiFi.

LiFi là một công nghệ mạng quang học không dây sử dụng điốt phátsáng (light-emitting diodes - LED) để truyền dữ liệu

LiFi được thiết kế sử dụng các bóng đèn LED tương tự với các bóng đènđang được dùng tại các hộ gia đình hoặc văn phòng tiết kiệm năng lượng Tuynhiên, bóng đèn LiFi được trang bị 1 con chip dùng để điều biến ánh sáng để

truyền dữ liệu quang học Dữ liệu LiFi được truyền đi bởi các bóng đèn vànhận bởi các thiết bị thụ quang.

1.3 Các tiêu chuẩn mạng không dây WLAN

1.3.1 Các Chuẩn WLAN phổ biến.

(draft 2.0)Năm phê

chuẩn

Tháng7/1999 Tháng 7/1999

Tháng6/2003

Tháng6/2007

DSSS hayCCK hayOFDM

DSSS hayCCK hayOFDMDải tần số

2,4GHz hay5GHz

Độ rộng băng

20MHz hay40MHz

từ xa

Bluetooth, lò

vi sóng, thiết bịquan sát bé từxa

Điện thoại

mẹ bồng con

Tương tự802.11b/g(2,4GHz)Tươ

ng tự 802.11a(5GHz)

Bảng 1.1 Đặc tả các chuẩn truyền thông IEEE 8.2.11x

1.3.2 Một số chuẩn truyền thông không dây thế hệ mới.

Bảng 1.2 Đặc tả kỹ thuật của một số chuẩn không dây thế hệ mới

Băng thông(MHz)

Tốc độmin/maxMbit/s

SốluồngMIMO

Điềuchế

Truy cập mạng WLAN:WLAN được thiết kế với vai trò của lớp truy

cập, có nghĩa là chúng được sử dụng như là một điểm để đi vào mạng có dây

WLAN giúp mở rộng mạng: Mạng không dây có thể được sử dụng để

mở rộng mạng có dây Có nhiều trường hợp trong đó việc mở rộng mạng yêucầu phải cài đặt thêm cáp, nhưng việc cài đặt thêm cáp là không thể (về chiphí, giới hạn 100m của cáp,…) hay bị cấm

WLAN giúp kết nối giữa các tòa nhà: Trong môi trường campus hay

môi trường chỉ có 2 tòa nhà gần nhau thì các người sử dụng ở các tòa nhà sẽ

có nhu cầu kết nối mạng với nhau

WLAN giúp phân phối dữ liệu đoạn cuối:Các nhà cung cấp dịch vụ

internet không dây đã tận dụng những lợi thế trong công nghệ không dây đểđưa ra dịch vụ phân phối dữ liệu đoạn cuối đến các khách hàng của họ

WLAN giúp tính di động tăng cao:WLAN không thể thay thế mạng

LAN có dây về tốc độ kết nối nhưng ưu thế của WLAN chính là tính di độngcủa nó

Ứng dụng WLAN cho SOHO: Trong môi trường gia đình hay văn

phòng nhỏ SOHO thì thường có nhiều máy tính, tuy nhiên họ vẫn cần nhu cầukết nối mạng để có thể chia sẻ dữ liệu, máy in, internet,… để tăng năng suấtcũng như hiệu quả làm việc

WLAN là giải pháp cho văn phòng di động: Các văn phòng hay lớp học

di động cho phép người sử dụng rất linh hoạt trong việc kết nối máy tính của

họ ở những vị trí khác nhau Nếu như lớp học quá đông thì trường học có thể

sử dụng các lớp học di động Để có thể mở rộng mạng máy tính đến các tòanhà tạm thời như vậy thì việc sử dụng cáp sẽ mất thời gian cũng như tiền bạc.Các kết nối WLAN tư văn phòng chính của trường đến các lớp học di độngcho phép cấu hình rất linh hoạt và chi phí thấp

1.4.2 Ưu nhược điểm của mạng không dây WLAN

a.Ưu điểm của mạng WLAN:

-Sự tiện lợi: mạng không dây cung cấp giải pháp cho phép người sử dụng

truy cập tài nguyên trên mạng bất kì nơi đâu trong khu vực wlan được triểnkhai

-Khả năng di động: với sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của viễn thông di

động, người sử dụng có thể truy cập internet ở bất cứ đâu

-Hiệu quả: người sử dụng có thể duy trì kết nối mạng khi họ đi từ nơi

này đến nơi khác

-Triển khai: chúng ta chỉ cần một đường truyền ADSL và một AP là

được một mạng Wlan đơn giản

-Khả năng mở rộng: mở rộng dễ dàng có thể đáp ứng tức thì khi có sự

gia tăng lớn về số lượng người truy cập

b.Nhược điểm của mạng Wlan:

-Bảo mật: đây có thể nói là nhược điểm lớn nhât của mạng Wlan, bởi vìphương tiện truyền tín hiệu là song và môi trường truyền tín hiệu là không khínên khả năng của một mạng không dây bị tấn công là rất lớn

-Phạm vi: như ta đã biết IEEE 802 11n mới nhất hiện nay cũng chỉ có thể

hoạt động ở phạm vi tối đa là 150m, nên mạng không dây chỉ phù hợp chomột không gian hẹp

-Độ tin cậy: do phương tiện truyền tín hiệu là sóng vô tuyến nên việc bị

nhiễu, suy giảm …là điều không thể tránh khỏi.Điều này gây ảnh hưởng lớnđến hiệu quả hoạt động của mạng

-Tốc độ: tốc độ cao nhất hiện nay của Wlan có thể lên đến 600Mbps

nhưng vẫn chậm hơn rất nhiều so với các mạng cáp thông thường

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ MẠNG KHÔNG DÂY

LIFI 2.1 Khái niệm vềLiFi và Lịch sử hình thành phát triển.

2.1.1 Khái Niệmvề LiFi

LIFI (LIFI) – Truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy sử dụng phần ánhsáng nhìn thấy được để truyền thông tin, để so sánh thì LIFI gần giống côngnghệ truyền thông không dây (ví dụ như Wi-Fi) sử dụng các tín hiệu sóngđiện từ (Radio Frequency – RF) để truyền dữ liệu

Ánh sáng nhìn thấy được (Visible Light) là dạng sóng với các bước sóngnằm trong khoảng mắt người có thể nhận biết được Các bước sóng này nằmtrong khoảng từ 380nm đến 750nm Hình 2.1 dưới đây cho ta thấy các bướcsóng ánh sáng được gắn với tông màu mà mắt thường có thể nhìn thấy

Hình 2.1 Quang phổ ánh sáng nhìn thấy

Với LIFI, dữ liệu được truyền đi bằng cách điều chế cường độ của ánhsáng nhưng không để cho mắt người bình thường nhận biết được sự thay đổinày Ánh sáng mang theo dữ liệu khi đến phía thu sẽ được nhận bởi Photo-sensitive Detector (PD) hoặc chip cảm biến hình ảnh (CMOS) giải điều chếchuyển đổi từ tín hiệu quang thành tín hiệu điện

LIFI chính là một nhánh trong công nghệ truyền thông không dâyquang (Optical Wireless Communications – OWC) OWC sử dụng cả tia hồngngoại (infra-red) và tia cực tím (ultra-violet) để truyền thông tin tương tự nhưánh sáng nhìn thấy Tuy nhiên, chính việc sử dụng năng lượng vừa dùng đểchiếu sáng vừa để truyền thông tin đã khiến cho công nghệ LIFI trở nên ưu tú

hơn cả.

Chu trình phát triển của công nghệ LIFI được thống kê trong bảng 2.1.

2004 Công bố hệ thống LED truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao

đến thiết bị di động cầm tay tại Nhật Bản

Bản

2007

Hiệp hội VLC (VLCC) tại Nhật Bản đưa ra hai chuẩn:Tiêu chuẩn cho hệ thống định danh sử dụng ánh sáng vàtiêu chuẩn cho hệ thống VLC Hiệp hội công nghệthông tin và điện tử Nhật Bản – JEITA đã chấp nhận cáctiêu chuẩn này thông qua hai văn bản JEITA CP-1221

và JEITA CP-1222

2008

Phát triển các tiêu chuẩn toàn cầu cho mạng gia đình sửdụng 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

~100Mb/s

2009 VLCC đã ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật đầu tiên của họ

trong đó xác định phổ tần sử dụng trong VLC

2010 Phát triển công nghệ VLC cho các thiết bị điện tử như

TV, PC, điện thoại di động ở đại học California, USA

2010 Công bố hệ thống định vị toàn cầu GPS với môi trường

Bảng 2.1 Chu trình phát triển của công nghệ LIFI được thống kê

Công nghệ LIFI rất phù hợp cho các ứng dụng cung cấp nội dung phổbiến trên internet như các ứng dụng download video, audio hay duyệt web.Các ứng dụng này phần lớn phụ thuộc nhiều vào băng thông của đường xuống(downlink) nhưng lại chỉ yêu cầu băng thông đường lên nhỏ Theo cách này,chúng ta có thể giải quyết vấn đề quá tải trong việc sử dụng các kênh vô tuyến

và mở rộng dung lượng của Wi-Fi

2.2 Ưu điểm của công nghệ LiFi (Light Fidelity).

Như chúng ta đã biết, phổ tần của sóng vô tuyến (Radio Frequency –RF) đang ngày càng cạn kiệt và cơ hội mở rộng rất hạn chế Thêm vào đó, córất nhiều yếu tố về an toàn và sức khỏe cần phải xem xét khi sử dụng sóng vôtuyến Do đó, công nghệ LIFI có rất nhiều ưu điểm vượt trội so với công nghệ

sử dụng sóng vô tuyến RF

2.2.1.Dung lượng.

Hình 2.2 Dải tần của sóng ánh sáng nhìn thấy

Băng thông lớn – Phổ tần của sóng ánh sáng nhìn thấy ước tính lớn gấp10,000 lần so với phổ sóng vô tuyến và hoàn toàn miễn phí khi sử dụng

Mật độ dữ liệu – Công nghệ LIFI có thể đạt được mật độ dữ liệu gấp

1000 lần so với Wi-Fi bởi vì ánh sáng nhìn thấy không xuyên qua vật cản nênchỉ tập trung trong một không gian trong khi sóng vô tuyến có xu hướng thoát

ra và gây xuyên nhiễu

Tốc độ cao – Công nghệ LIFI có thể đạt được tốc độ cao nhờ vào nhiễuthấp, băng thông lớn và cường độ chiếu sáng lớn ở đầu ra.

 Quản lý – Việc quản lý trở nên khá dễ dàng do không gian chiếu sángchọn lựa để truyền thông và tín hiệu ánh sáng có thể quan sát được trong khisóng vô tuyến không thể quan sát khiến cho việc quản lý trở nên phức tạp hơnnhiều

Truyền thông dưới nước – Việc truyền thông dưới nước với sóng vôtuyến rất khó khăn nhưng LIFI có thể hoạt động tốt ở môi trường này

2.2.4 Bảo mật.

Ngăn chặn – Đối với môi trường trong nhà (indoor), sẽ rất khó để cóthể thu thập hay do thám các tín hiệu LIFI do sóng ánh sáng không xuyên quavật cản và chỉ tập trung trong khu vực cần thiết

Điều khiển – Dữ liệu sẽ được chuyển trực tiếp từ một thiết bị sangthiết 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 cácphương án bảo mật liên kết nào khác như khi truyền thông với sóng điện từ.

2.3 Hệ thống phát được sử dụng trong công nghệ mạng không dây LIFI.

2.3.1 Mô hình thành phần phát.

Mô hình thành phần phát sử dụng LED làm nguồn sáng như sau:

Hình 2.3.Mô hình thành phần phát trong hệ thống LIFI

2.3.2 LED.

Với công nghệ ngày càng phát triển, LED đang được mong đợi như làmột thế hệ thiết bị chiếu sáng tiếp theo, thay thế cho các loại đèn huỳnh quang(Flourescents Light) hiện tại do các lý do như giá thành rẻ, hiệu năng chiếusáng cao, tiết kiệm điện, tuổi thọ lâu dài Chính vì vậy, chúng ta sẽ sử dụngLED làm nguồn sáng dùng để thông tin trong hệ thống LIFI Công suất chiếusáng tối thiểu của LED cho một văn phòng là từ 200 – 1000 (lux)

(Lux, (kí hiệu là lx) là một đơn vị đo cường độ chiếu sáng có thể cảm nhận bởi mắt người thông qua một đơn vị diện tích.)

Nguyên lý hoạt động cơ bản của LED như sau:

Khi phân cực thuận cho LED sẽ có dòng bơm qua LED làm cho các điện tửđang ở vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn Đây là hiện tượng đảo mật độ do ởđiều kiện bình thường, nồng độ điện tử ở vùng hóa trị sẽ rất lớn so với nồng

độ điện tử ở vùng dẫn nhưng khi được kích thích, các điện tử nhảy mức nănglượng làm cho nồng độ điện tử ở vùng dẫn lớn hơn so với nồng độ điện tử ởvùng hóa trị Đồng thời, dưới tác dụng của điện trường phân cực thuận, các

điện tử từ lớp N sẽ được khuếch tán sang lớp tích cực và các lỗ trống ở lớp Pcũng được khuếch tán sang lớp tích cực Tại đây, các cặp điện tử và lỗ trống

sẽ tái hợp (re-combine) và phát xạ ra photon ánh sáng Hiện tượng phát xạ ởđây chủ yếu là hiện tượng phát xạ tự phát Hiện tượng này được mô tả nhưhình 2.4 dưới đây:

Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động của LED.

Với mục đích kết hợp để chiếu sáng, loại LED được sử dụng trong LIFI

sẽ là LED đơn sắc (một trong ba màu RGB) và LED phát ánh sáng trắng(White LED) Có hai cách thông dụng để tạo ra ánh sáng trắng tương ứng vớihai loại LED khác nhau: loại thứ nhất sử dụng một chip bán dẫn xanh (blue)

và sau đó được phủ thêm một lớp phosphor bên ngoài hay còn được gọi tên là

“LED màu trắng đơn chip” Khi dòng điện được cung cấp cho chip LED màuxanh, chip này sẽ phát ra ánh sáng xanh, phosphor sau đó được kích thích bởimàu xanh và sẽ phát ra huỳnh quang màu vàng Sự kết hợp hai loại màu này

sẽ tạo ra ánh sáng trắng Loại thứ hai là LED cấu tạo với ba chip màu riêngbiệt R (~625nm), G (~525nm), B (~470nm), (Red Green Blue) Sau đó bamàu này sẽ được trộn lại với nhau để tạo ra ánh sáng trắng

Dải hóa trị

Dải cấm Dải dẫn Điện tử

Photon

ánh sáng

Lỗ trống

Bán dẫn loại n Bán dẫn loại p

Hình 2.5 Hai loại LED phát ánh sáng trắng

Hình 2.6 Phổ phát xạ của (a) LED đơn chip và (b) LED RGB

LED đơn chip phủ phosphor sẽ có giá thành rẻ hơn, mạch điều khiển ítphức tạp hơn tuy nhiên băng thông lại bị hạn chế, thêm nữa, lớp phosphor chỉphát xạ ánh sáng sau khi chip màu xanh phát xạ, do vậy tốc độ đáp ứng củaLED đơn chip sẽ thấp hơn so với LED RGB Như chúng ta thấy trong hình2.6 (a), LED đơn chip sẽ có băng thông hạn chế do ảnh hưởng của lớpphosphor, do vậy ta có thể khắc phục nhược điểm này bằng cách sử dụng một

bộ lọc (blue filter) ở phía thu trước khi ánh sáng được đưa đến photodiode.Còn ở hình (b), LED RGB có thể cung cấp ba kênh truyền dẫn riêng biệt, mỗikênh ứng với một chip LED, thích hợp

cho WDM, nhưng một vấn đề cần chú ý đó là cần phải đảm bảo sự cân bằng màu sắc của ánh sáng không bị thay đổi khi truyền dẫn thông tin với LIFI

Do LED được sử dụng vừa chiếu sáng vừa truyền thông nên ta cần phảixác định hai đại lượng đó là cường độ chiếu sáng và công suất quang truyền

đi Cường độ chiếu sáng được dùng để thể hiện độ sáng của một bóng đènLED còn công suất quang truyền dẫn chỉ ra tổng năng lượng phát xạ từ LED Cường độ chiếu sáng được tính bằng quang thông qua mỗi góc khối theo (2.1):

2.4 Các phương pháp điều chế và điều chỉnh độ sáng trong LIFI

Như chúng ta đã biết, truyền thông bằng ánh sáng dựa trên phươngpháp điều chỉnh cường độ của ánh sáng Bất kỳ sự thay đổi nào khi ta điều

chế ánh sáng để thông tin đều có thể gây ảnh hưởng không tốt (đôi khi lànguy hiểm) với mắt người Để tránh điều này, sự thay đổi cường độ ánh sángphải nằm trong khoảng thời thay đổi tối đa cho phép (Maximum FlickeringTime Period – MFTP)

MFTP được định nghĩa là thời gian tối đa mà cường độ ánh sáng có thểthay đổi mà mắt người không thể cảm nhận được Tần số thay đổi lớn hơn200Hz (ứng với MFTP < 5ms) được coi là an toàn với mắt người, chính vìvậy các phương pháp điều chế sử dụng trong LIFI sẽ phải chú ý đến giá trịMFTP này

Một vấn đề khác nữa, để tiết kiệm và sử dụng năng lượng hiệu quả,chúng ta phải sử dụng thêm một phương pháp điều chỉnh ánh sáng hỗ trợtrong quá trình điều chế (Dimming Method - DS) Tức là cho phép ngườidùng có thể tăng giảm độ sáng đến một giới hạn nào đó trong khi quá trìnhtruyền dẫn dữ liệu vẫn diễn ra

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

Phương pháp điều chế khóa bật tắt OOK là một phương pháp điều chếrất phổ biến trong các hệ thống truyền dẫn không dây sử dụng tia hồng ngoại.Phương pháp này đôi khi còn được gọi là mã hóa non-return-to-zero (NRZ).Điều chế khóa tắt bật là một phương pháp điều chế hai mức bao gồm hai

ký hiệu tương ứng với mức công suất 2P hoặc 0 Tín hiệu có thể được biểudiễn bằng hàm cơ sở ϕOOKOOK (t) với biểu thức (2.4) dưới đây:

ϕOOKOOK (t)= 1

Trong đó:

T là chu kỳ kí hiệu và rect(t) được tính như (2.5) :

rect (t )={1 với 0 ≤ t ≤1 0 với t ≠ (2.5)

Sử dụng hàm cơ sở này, ta có biểu thức cường độ sáng theo miền thời gian được gửi qua kênh truyền theo biểu thức (2.6):

P e=Q( √R σ P 2)

Trong đó: tốc độ bit R=1

T

Hình 2.7 Hàm cơ sở (a) và Không gian tín hiệu OOK (b)

Phương pháp điều chế này có nhược điểm đó là gây ra hiện tượng nhấpnháy do nguyên tắc điều chế tắt bật nguồn sáng theo các bit 0, 1 Để khắcphục hiện tượng này, tín hiệu sẽ được mã hóa với mã Manchester trước khiđưa vào điều chế, bit 0 sẽ được ký hiệu bằng “01” và bit 1 sẽ được ký hiệubằng “10” Do đó sẽ tạo ra được một bộ mã cân bằng số lượng bit 0 và 1,tránh được hiện tượng nhấp nháy

Việc điều chỉnh độ sáng trong OOK có thể thực hiện theo hai cách,hoặc chúng ta thay đổi lại mức độ “bật”, “tắt” đối với các ký tự (có nghĩakhông cần thiết phải tắt hẳn hoàn nguồn sáng, mà chỉ cần đủ nhỏ để có thểphân định rõ ràng giữa hai mức này) hoặc các mức này vẫn giữ nguyên vàthay đổi thời gian mức cao (duty-cycle) (tức thời gian tín hiệu ở mức cao/chu

kỳ) bằng cách chèn thêm các ký hiệu dư thừa (Compensation Symbols – CS)vào để điều chỉnh tăng giảm độ sáng Ví dụ nếu độ sáng của dữ liệu là A%với chu kỳ T1 và các ký hiệu dư thừa có độ sáng B% với chu kỳ T2, độ sángtrung bình N(%) sẽ được tính theo công thức (2.8):

N= A T1 +B T2

Hai phương pháp trên đều có những ưu khuyết điểm riêng, đối vớiphương pháp thứ nhất, đặt lại hai mức tắt bật sẽ giữ nguyên tốc độ bit khôngđổi nhưng sẽ làm thay đổi hai mức độ, có thể gây ra hiện tượng thay đổi màusắc do phải tác động đến quá trình điều khiển LED Đối với cách còn lại, haimức độ không đổi nhưng sẽ làm chậm tốc độ bit do đã chèn thêm bit dư thừavào

Hình 2.8 cho thấy ví dụ sử dụng các ký hiệu dư thừa để làm tăng độ sáng, do

sử dụng mã Manchester để mã hóa nên thời gian mức cao luôn đạt 1/2 (tỉ lệbit 0 và 1 như nhau), nói cách khác mức độ sáng là 50%, ta sẽ chèn thêm các

ký hiệu dư thừa vào để tăng thời gian mức cao (tăng bit 1) khiến cho mứcsáng trung bình (Average Brightness – AB) cao hơn 50%

Hình 2.8 Tăng độ sáng bằng cách chèn thêm ký hiệu thừa CS

2.4.2 Phương pháp điều chế vị trí xung biến đổi (Variable Pulse Position Modulation – VPPM)

Phương pháp điều chế vị trí xung biến đổi là phương pháp điều chế mớihơn, là sự kết hợp của hai phương thức điều chế: điều chế vị trí xung (2 Pulse

Position Modulation – 2PPM) và điều chế độ rộng xung (Pulse WidthModulation – PWM).

Trong phương pháp điều chế PPM, mỗi chu kỳ ký hiệu sẽ được chiathành M chu kỳ con Thông tin sẽ được gửi bằng cách truyền một cường độquang khác không trong một chu kỳ con, trong khi các chu kỳ con còn lại vẫngiữ nguyên Mỗi chu kỳ con sẽ không trùng lặp về thời gian, do đó mỗi kýhiệu là trực giao với nhau Ví dụ ta có không gian tín hiệu M = N, M-PPM kýhiệu có thể được xem như một khối mã OOK với chu kỳ là MT trong đócường độ ra bằng không ngoại trừ trong chu kỳ T Hàm cơ sở của M-PPM códạng (2.9):

ϕOOK m (t )=√M T rect(t−(M T )(m−1)

T

Trong đó: mϵM và T là chu kỳ con

Không gian tín hiệu của M-PPM là không gian Euclid M chiều với một điểm tín hiệu trên mỗi trục M

âm trong toàn bộ thời gian do cấu tạo của chúng

Công suất quang trung bình của mỗi ký hiệu không đổi bằng P với côngsuất đỉnh của mỗi ký hiệu là MP Bởi các điểm trong không gian tín hiệu trựcgiao và cách đều với nhau nên xác suất lỗi ký hiệu được tính theo (2.11):

P e(ký hiệu) ≈ ( M−1) Q(P√2 R M s σ2) (2.11)Trong đó: R s=1/T là tốc độ ký hiệu Do các điểm trong không gian tínhiệu trực giao với nhau, xác suất lỗi ký hiệu có thể chuyển thành xác suất lỗibit bằng cách lũy thừa với M2 /(M −1) Như vậy, xác suất lỗi bit được tính theo(2.12):

P e ≈ M

2 Q(P√M log2M

Với tốc độ bit R=R slog2M

Hình 2.10 Mô hình VPPM cấu tạo từ 2-PPM với độ sáng 50% (a) và

PWM để điều chỉnh độ sáng (b)