NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY ĐƯỢC VÀ ỨNG DỤNG

Hiện nay, mạng truyền thông không dây vẫn chỉ sử dụng sóng vô tuyến làm phương tiện truyền dẫn chính. Mặc dù đang rất phát triển với tốc độ ngày càng tăng nhưng công nghệ này cũng có một số hạn chế như băng thông sẽ tới lúc cạn kiệt (do nhu cầu sử dụng tăng rất nhanh), hạn chế khi sử dụng trong một số môi trường như bệnh viện (dễ ảnh hưởng tới độ chính xác và chế độ hoạt động của các thiết bị y tế), và không thể sử dụng gần khu vực không lưu của sân bay do đặc tính của sóng vô tuyến có thể gây nhiễu lên điều hành máy bay… Mặt khác, sự phát triển mạnh mẽ của Diode phát quang (Light Emitting Diode – LED) với nhiều ưu điểm như hiệu quả chiếu sáng cao, tiết kiệm điện năng sẽ giúp hiện thực hóa các ý tưởng sử dụng ánh sáng nhìn thấy để truyền dẫn thông tin.Công nghệ truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communication –VLC) được xem như là một lời giải cho bài toán về băng thông cũng như các nhược điểm khác của công nghệ truyền thông 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, sân bay. Đặc biệt hơn nữa chúng ta có thể xây dựng hạ tầng vừa dùng để chiếu sáng vừa dùng để truyền thông sử dụng nguồn phát ánh sáng là các bóng đèn LED.Vì vậy, em đã chọn lựa đề tài đồ án tốt nghiệp là “Nghiên cứu công nghệ truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy được và ứng dụng”.

MỤC LỤC i

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC HÌNH ẢNH vi

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY – VISIBLE LIGHT COMMUNICATION 2

1.1 G IỚI THIỆU CHƯƠNG 2

1.2 K HÁI NIỆM V ISIBLE L IGHT C OMMUNICATION 2

1.3 L ỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA V ISIBLE L IGHT C OMMUNICATION 3

1.4 C ÁC ƯU ĐIỂM CỦA CÔNG NGHỆ V ISIBLE L IGHT C OMMUNICATION 7

1.4.1 Dung lượng 7

1.4.2 Hiệu năng 7

1.4.3 An toàn 8

1.4.4 Bảo mật 8

1.5 C ÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG V ISIBLE L IGHT C OMMUNICATION 8

1.6 K ẾT LUẬN CHƯƠNG 10

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY 11

2.1 G IỚI THIỆU CHƯƠNG 11

2.2 T HÀNH PHẦN PHÁT TRONG HỆ THỐNG VLC 11

2.3 C ÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VÀ ĐIỀU CHỈNH ĐỘ SÁNG TRONG VLC 14

2.3.1 Phương pháp điều chế khóa bật tắt On-Off Keying (OOK) 15

2.3.2 Phương pháp điều chế vị trí xung biến đổi (Variable Pulse Position Modulation – VPPM) 17

2.3.3 Phương pháp điều chế Khóa dịch màu (Color-Shift Keying) 19

2.4 K Ỹ THUẬT MÃ HÓA 22

2.5 M Ô HÌNH KÊNH 23

2.6 M Ô HÌNH KẾT NỐI 24

2.6.1 Mô hình kết nối Line of Sight 24

2.6.2 Mô hình kết nối None Line of Sight 25

2.7.1 Nhiễu nhiệt 26

2.7.2 Nhiễu nổ 26

2.7.3 Các yếu tố khác ảnh hưởng đến hệ thống VLC 27

2.8 P HẦN TỬ THU TRONG HỆ THỐNG VLC 27

2.8.1 Diode tách quang 28

2.8.2 Chip cảm biến hình ảnh (Image Sensor – IS) 29

2.8.3 Bộ tập trung quang 30

2.8.4 Bộ lọc quang 31

2.9 K ẾT LUẬN CHƯƠNG 31

CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG QUA ÁNH SÁNG NHÌN THẤY 32

3.1 G IỚI THIỆU CHƯƠNG 32

3.2 Ứ NG DỤNG CÔNG NGHỆ V ISIBLE L IGHT C OMMUNICATION 32

3.2.1 Mô hình thiết bị đầu cuối ứng dụng VLC 32

3.2.2 Một số mô hình ứng dụng đang được nghiên cứu và thực hiện 34

3.3 K ẾT LUẬN CHƯƠNG 39

KẾT LUẬN 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO viii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ix

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN x

Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

cộng

parabol kết hợp

Telecommunications

Viện truyền thông Fraunhofer

không gian tự do

Detection

Điều chế cường độ/tách sóng trực tiếp

Technology Industries Association

Hiệp hội công nghệ thông tin và điện tử Nhật Bản

Truyền thông không dây

sử dụng ánh sáng nhìn thấy

đa

thu phát

Số hiệu Tên bảng Trang1.1 Chu trình phát triển của công nghệ VLC 62.1 Các dải màu trong không gian màu CIE 1931 với tọa độ

Số hiệu Tên hình Trang

1.9 Cấp nguồn và kết nối LED thông qua cáp Ethernet 92.1 Mô hình thành phần phát trong hệ thống VLC 11

2.4 Phổ phát xạ của (a) LED đơn chip và (b) LED RGB 13

2.6 Hàm cơ sở (a) và Không gian tín hiệu OOK (b) 16

2.9 Không gian màu CIE với hai trục xy và 7 dải màu (000 đến 110) 22

2.12 Minh họa mô hình kết nối Wide-LOS (FOV rộng) 252.13 Minh họa mô hình kết nối Narrow-LOS (FOV hẹp) 25

3.7 Camera thu gắn trong xe (a) và Bảng LED phát (16x16) 373.8 Xác định vị trí nguồn phát (a) và Cắt bỏ hình ảnh thừa (b) 383.9 Bóng đèn được gắn dưới kệ hàng (a) và xe đẩy hàng gắn máy thu (b) 393.10 Sơ đồ bố trí đèn (a) và tốc độ di chuyển trong siêu thị (b) 39

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, mạng truyền thông không dây vẫn chỉ sử dụng sóng vô tuyến làmphương tiện truyền dẫn chính Mặc dù đang rất phát triển với tốc độ ngày càng tăngnhưng công nghệ này cũng có một số hạn chế như băng thông sẽ tới lúc cạn kiệt (donhu cầu sử dụng tăng rất nhanh), hạn chế khi sử dụng trong một số môi trường nhưbệnh viện (dễ ảnh hưởng tới độ chính xác và chế độ hoạt động của các thiết bị y tế), vàkhông thể sử dụng gần khu vực không lưu của sân bay do đặc tính của sóng vô tuyến

có thể gây nhiễu lên điều hành máy bay… Mặt khác, sự phát triển mạnh mẽ của Diodephát quang (Light Emitting Diode – LED) với nhiều ưu điểm như hiệu quả chiếu sángcao, tiết kiệm điện năng sẽ giúp hiện thực hóa các ý tưởng sử dụng ánh sáng nhìn thấy

để truyền dẫn thông tin

Công nghệ truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy (Visible LightCommunication –VLC) được xem như là một lời giải cho bài toán về băng thông cũngnhư các nhược điểm khác của công nghệ truyền thông sử dụng sóng vô tuyến với băngthông sử dụng gần như không giới hạn, không gây xuyên nhiễu nên có thể sử dụng ởcác môi trường bệnh viện, sân bay Đặc biệt hơn nữa chúng ta có thể xây dựng hạ tầngvừa dùng để chiếu sáng vừa dùng để truyền thông sử dụng nguồn phát ánh sáng là cácbóng đèn LED

Vì vậy, em đã chọn lựa đề tài đồ án tốt nghiệp là “Nghiên cứu công nghệ

truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy được và ứng dụng”.

Nội dung đồ án bao gồm ba phần chính sau:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy

Chương 2: Nghiên cứu hệ thống truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy

Chương 3: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy

Do thời gian và hiểu biết còn hạn chế nên chắc chắn đồ án không tránh khỏi rấtnhiều thiếu sót Em rất mong nhận được sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và ý kiến góp

ý của các bạn độc giả để đồ án được hoàn thiện hơn

Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị Huyền Trang đã trực tiếphướng dẫn em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY – VISIBLE LIGHT

COMMUNICATION 1.1 Giới thiệu chương

Hiện nay việc sử dụng sóng vô tuyến, tia hồng ngoại (infra-red) hay laser đểtruyền dữ liệu không còn xa lạ Nhưng việc sử dụng ánh sáng trong dải nhìn thấy được

để truyền dẫn thông tin là một ý tưởng rất mới và hiện công nghệ truyền thông bằngánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communication) vẫn đang được các nhà khoa học

nỗ lực nghiên cứu và phát triển Chương I sẽ trình bày một cách tổng quan về côngnghệ đang rất hứa hẹn trong tương lai này

1.2 Khái niệm Visible Light Communication

Visible Light Communication (VLC) – Truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy

sử dụng phần ánh sáng nhìn thấy được để truyền thông tin, để so sánh thì VLC gầngiống công nghệ 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 sóng nằmtrong khoảng mắt người có thể nhận biết được Các bước sóng này nằm trong khoảng

từ 380nm đến 750nm Hình 1.1 dưới đây cho ta thấy các bước sóng ánh sáng được gắnvới tông màu mà mắt thường có thể nhìn thấy

Hình 1.1 Quang phổ ánh sáng nhìn thấy

Với VLC, dữ liệu được truyền đi bằng cách điều chế cường độ của ánh sángnhưng không để cho mắt người bình thường nhận biết được sự thay đổi này Ánh sángmang theo dữ liệu khi đến phía thu sẽ được nhận bởi Photo-sensitive Detector (PD)hoặc chip cảm biến hình ảnh (CMOS) giải điều chế chuyển đổi từ tín hiệu quang thànhtín hiệu điện

VLC chính là một nhánh trong công nghệ truyền thông không dây quang(Optical Wireless Communications – OWC) OWC sử dụng cả tia hồng ngoại (infra-

red) và tia cực tím (ultra-violet) để truyền thông tin tương tự như ánh sáng nhìn thấy.Tuy nhiên, chính việc sử dụng năng lượng vừa dùng để chiếu sáng vừa để truyền thôngtin đã khiến cho công nghệ VLC trở nên ưu tú hơn cả.

1.3 Lịch sử phát triển của Visible Light Communication

Ý tưởng sử dụng ánh sáng nhìn thấy để truyền tải thông tin thực ra không hềmới mẻ Từ hàng nghìn năm trước, cách dùng khói để truyền tải thông tin đã được sửdụng bởi rất nhiều nền văn minh khác nhau (ví dụ như người Mỹ bản địa và ngườiRoman)

Hình 1.2 Người Mỹ bản địa sử dụng tín hiệu khói

Tiếp theo là hệ thống những ngọn hải đăng đã được xây dựng ở bến cảng vớinhiệm vụ làm hoa tiêu giúp cho các con tàu có thể định hướng khi đang ở trong vùngbiển nguy hiểm bằng cách gửi những chùm sáng nhấp nháy theo chu kỳ Ngọn hảiđăng đầu tiên mang tên Alexandria được xây dựng vào khoảng năm 280 đến 247 trướcCông Nguyên dưới thời vua Ptolemy II với mục đích hướng dẫn tàu bè vào cảngAlexandria an toàn, sau này được xếp vào một trong số bảy kỳ quan thế giới cổ đại

Hình 1.3 Hải đăng Alexandria

Nỗ lực đầu tiên trong việc sử dụng ánh sáng nhìn thấy để truyền thông tin saunày thuộc về nhà khoa học Scotland Alexander Graham Bell, người đã phát minh rathiết bị “Photophone” vào ngày 19 tháng 2 năm 1880 tại phòng thí nghiệm ởWashington, DC cùng với cộng sự của ông Charles Tainer Thiết bị này cho phéptruyền thông tin nhờ vào ánh sáng mặt trời Nguyên lý của hoạt động của chiếc điệnthoại này được mô tả như hình 1.4 và 1.5 dưới đây:

 Phía phát:

Ánh sáng sẽ được hội tụ qua thấu kính, đến phía ống nói, tại phần ống này gắnmột chiếc gương mảnh, có thể thay đổi cường độ của ánh sáng chiếu đến theo độ rungcủa cổ họng khi phát âm và nhờ đó, thông tin được đã được điều chế vào ánh sáng vàtruyền đến phía thu

Hình 1.4 Phía phát của photophone

 Phía thu:

Vấn đề ở phía thu là làm thế nào để có thể thu được thông tin nhờ vào sự thayđổi cường độ của ánh sáng truyền tới và điều này được giải quyết nhờ một vật liệu cótên Selenium (là loại chất liệu bán dẫn có điện trở khoảng 100 Ω đến 300 Ω và điện trởnày sẽ giảm theo cường độ ánh sáng chiếu vào nó)

Phía thu gồm nguồn điện nối với một Pin Selenium đặt ở tâm của một gươngparabol Ánh sáng sẽ được tập trung vào chiếc pin này và cường độ sáng thay đổi sẽkhiến cho điện trở của pin thay đổi tạo ra dòng điện thay đổi làm rung màng rung củaống nghe và phát ra âm thanh đến tai của người nghe Với thiết bị này, âm thanh có thểtruyền đi khoảng 200m với ánh sáng mặt trời và ngắn hơn với ánh sáng từ bóng đèn

Hình 1.5 Phía thu

Hiện nay, việc phát minh và sử dụng bóng đèn LED (Light Emitting Diode) đểchiếu sáng đã mang lại cơ hội để kết hợp với công nghệ VLC trong đó sử dụng LEDlàm nguồn phát Khi chúng ta đưa dòng điện không đổi vào bóng đèn LED, nó sẽ phát

ra các dòng photon ánh sáng mà chúng ta có thể quan sát được (ánh sáng nhìn thấy).Nếu chúng ta thay đổi dòng điện, cường độ sáng của bóng đèn tương tự cũng thay đổitheo và sự thay đổi này diễn ra ở tốc độ rất cao mà mắt thường không nhận biết được

Từ đó, thông tin có thể được điều chế vào trong ánh sáng của bóng đèn và truyền điđến máy thu

Hình 1.6 Truyền thông VLC sử dụng bóng đèn LED

Sử dụng kỹ thuật này chúng ta có thể có được tốc độ truyền dữ liệu rất lớn trongkhi vẫn giữ được công dụng chiếu sáng của bóng đèn Công nghệ sử dụng ánh sáng đểtruyền thông tin còn được gọi với cái tên “Li-Fi” (Light Fidelity)

Tuy nhiên, công nghệ VLC hay Li-Fi không hẳn sinh ra để trở thành địch thủvới Wi-Fi mặc dù VLC được mong đợi như là một giải pháp giải quyết vấn đề quá tảitrong các mạng Wi-Fi hiện nay, nhưng trong tương lai, công nghệ này có thể sẽ khôngcung cấp nhiều băng thông cho đường lên (uplink) và do đó mạng Wi-Fi hiện tại sẽ bổsung cho vấn đề này.

Chu trình phát triển của công nghệ VLC được thống kê trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Chu trình phát triển của công nghệ VLC

2004 Công bố hệ thống LED truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao đến thiết bị di

động cầm tay tại Nhật Bản

2005

Thử nghiệm thực tế hệ thống truyền dẫn VLC tới điện thoại di độngvới tốc độ 10kb/s và ~Mb/s sử dụng đèn huỳnh quang và LED tạiNhật 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

2007

Hiệp hội VLC (VLCC) tại Nhật Bản đưa ra hai chuẩn: Tiêu chuẩn cho

hệ thống định danh sử dụng ánh sáng và tiêu chuẩn cho hệ thốngVLC Hiệp hội công nghệ thông tin và điện tử Nhật Bản – JEITA đãchấp nhận các tiêu 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 sử dụng ánhsáng 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 trong nhà tại

Nhật Bản

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

2010 Phát triển tiêu chuẩn cho các công nghệ sử dụng VLC bởi IEEE

2011 Trình diễn hệ thống truyền dẫn VLC-OFDM với tốc độ 124Mb/s, sử

dụng LED trắng phủ phosphor, đại học Edinburgh, Anh

2013 Giáo sư Harald Haas đã thực hiện truyề dữ liệu với tốc độ lên

đến 1.6 Gbps thông qua đèn Led đơn sắc

4/2014 Một công ty của Nga là Stins Coman đã thực hiện một mạng nội bộ

không dây có tốc độ truyền dữ liệu lên 1.25 Gbit/sCông nghệ VLC rất phù hợp cho các ứng dụng cung cấp nội dung phổ biến trêninternet như các ứng dụng download video, audio hay duyệt web Các ứng dụng nàyphần lớn phụ thuộc nhiều vào băng thông của đường xuống (downlink) nhưng lại chỉyêu cầu băng thông đường lên nhỏ Theo cách này, chúng ta có thể giải quyết vấn đềquá tải trong việc sử dụng các kênh vô tuyến và mở rộng dung lượng của Wi-Fi.

1.4 Các ưu điểm của công nghệ Visible Light Communication

Như chúng ta đã biết, phổ tần của sóng vô tuyến (Radio Frequency – RF) đangngày càng cạn kiệt và cơ hội mở rộng rất hạn chế Thêm vào đó, có rất nhiều yếu tố về

an toàn và sức khỏe cần phải xem xét khi sử dụng sóng vô tuyến Do đó, công nghệVLC có rất nhiều ưu điểm vượt trội so với công nghệ sử dụng sóng vô tuyến RF

1.4.1 Dung lượng

Hình 1.7 Dải tần của sóng ánh sáng nhìn thấy

 Băng thông lớn – Phổ tần của sóng ánh sáng nhìn thấy ước tính lớn gấp 10,000lần so với phổ sóng vô tuyến và hoàn toàn miễn phí khi sử dụng

 Mật độ dữ liệu – Công nghệ VLC có thể đạt được mật độ dữ liệu gấp 1000 lần sovới Wi-Fi bởi vì ánh sáng nhìn thấy không xuyên qua vật cản nên chỉ tập trung trongmột không gian trong khi sóng vô tuyến 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 tuyếnkhông thể quan sát khiến cho việc quản lý trở nên phức tạp hơn nhiều

 Truyền thông dưới nước – Việc truyền thông dưới nước với sóng vô tuyến rất

khó khăn nhưng VLC có thể hoạt động tốt ở môi trường này

1.4.4 Bảo mật

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

 Điều khiển – Dữ liệu sẽ được chuyển trực tiếp từ một thiết bị sang thiết bịkhác và người sử dụng hoàn toàn có thể nhìn thấy và biết được dữ liệu của mình đangđược chuyển đi đâu, do vậy không cần thiết phải có các phương án bảo mật liên kếtnào khác như khi truyền thông với sóng điện từ

1.5 Các thành phần trong hệ thống Visible Light Communication

Một hệ thống VLC bao gồm ba thành phần chính: hệ thống phát, kênh truyền,

hệ thống thu Thiết bị sử dụng đầu cuối để truyền thông phải được tích hợp cả hai phần

tử thu phát.Về phía hệ thống phát, chúng ta sẽ sử dụng các bóng đèn LED để truyền tảithông tin với tốc độ lên tới hàng trăm Mb/s Để đạt được tốc độ hàng Gb/s, có thể sửdụng Laser Diode (LD), tuy nhiên đồ án này chỉ tập trung vào LED Có rất nhiều dạngLED được sử dụng để tạo ra ánh sáng trắng bao gồm LED đơn màu phủ phosphor(Phosphor based-LED) hoặc LED RGB (Red-Green-Blue) Với loại LED RGB, mỗimột màu có thể sử dụng để truyền dữ liệu riêng biệt trong khi LED đơn màu chỉ có thể

sử dụng các kỹ thuật điều chế dựa theo cường độ chiếu sáng Với mục đích sử dụng cảcho chiếu sáng, LED đơn màu được ưu tiên chọn lựa bởi giá thành rẻ và hiệu năng sửdụng cao

Như đã biết, chúng ta sẽ sử dụng các bóng đèn LED để phát thông tin nên cần phải

có các cách khác nhau để kết nối các bóng đèn này vào các mạng dữ liệu hiện tại Cóhai cách điển hình đó là:

 Sử dụng kết hợp với công nghệ truyền thông bằng đường điện (Power-lineCommunications – PLC) Công nghệ này cho phép truyền thông tin qua mạng điện có

sẵn Bằng cách kết hợp này, chúng ta sẽ có thể tận dụng đường cáp điện sẵn có để cấpnguồn và truyền tải thông tin thông qua bóng đèn (Công nghệ này đã được đưa ra từlâu và hiện nay đang ngày càng được ứng dụng một cách rộng rãi).

Hình 1.8 Truyền thông bằng công nghệ PLC

 Truyền thông qua Ethernet (Power over Ethernet – PoE) Việc cấp nguồn vàtruyền thông tin qua các bóng LED sẽ được thực hiện thông qua một cáp nối Ethernet

Tuy nhiên mặc dù công suất cung cấp giới hạn chỉ vào khoảng 50W đối với cápCat5 nhưng công suất này vẫn hoàn toàn đủ đáp ứng đối với các bóng LED hiện nay

Cả hai phương pháp trên nổi bật hơn cả bởi nhờ vậy chúng ta không cần chia phần cấpnguồn cho LED và kết nối dữ liệu thành hai mảng riêng biệt

Hình 1.9 Cấp nguồn và kết nối LED thông qua cáp Ethernet

Công nghệ truyền thông bằng đường điện có ưu điểm là không yêu cầu thêmbất cứ một kết nối nào vào mạng đèn chiếu sáng có sẵn mà vẫn có thể kết nối vàtruyền dữ liệu Đối với nhu cầu lắp đặt mới, đặc biệt trong các môi trường thương mại,công nghệ sử dụng cáp Ethernet (PoE) sẽ rất hiệu quả

Đối với phía thu, do hiện nay các thiết bị điện tử như máy tính để bàn (PC),máy tính xách tay (Laptop), điện thoại di động, máy nghe nhạc càng ngày càng trở nênnhỏ gọn và tích hợp được nhiều chức năng nên hoàn toàn có thể tận dụng camera gắn

ngoài của các thiết bị này cũng như tích hợp thêm diode tách quang (Photodetector,phần tử này sẽ chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện) để biến chúng thành một hệthống thu riêng biệt.

Để có thể đưa thông tin vào ánh sáng chúng ta cần phải có các kỹ thuật điềuchế Có rất nhiều kỹ thuật như điều chế khóa bật tắt (On-Off Keying – OOK), điều chế

độ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM), điều chế vị trí xung (Pulse PositionModulation – PPM), điều chế biên độ xung (Pulse Amplitude Modulation – PAM),ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing – OFDM) hay điều chế khóa dịch màu (Color-Shift Keying – CSK) vàmột số các phương pháp điều chế khác

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG

BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY2.1 Giới thiệu chương

Trong chương trước, chúng ta đã có một cái nhìn tổng quan về công nghệtruyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communication) Trong chươngnày sẽ trình bày một cách chi tiết về từng thành phần cụ thể trong hệ thống VLC Baogồm ba phần chính: thành phần phát, thành phần thu, mô hình kênh và các phươngpháp điều chế

2.2 Thành phần phát trong hệ thống VLC

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

Hình 2.1 Mô hình thành phần phát trong hệ thống VLC

Với công nghệ ngày càng phát triển, LED đang được mong đợi như là một thế

hệ thiết bị chiếu sáng tiếp theo, thay thế cho các loại đèn huỳnh quang (FlourescentsLight) hiện tại do các lý do như giá thành rẻ, hiệu năng chiếu sáng cao, tiết kiệm điện,tuổi thọ lâu dài Chính vì vậy, chúng ta sẽ sử dụng LED làm nguồn sáng dùng để thôngtin trong hệ thống VLC Công suất chiếu sáng 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 ở điều kiệnbình thường, nồng độ điện tử ở vùng hóa trị sẽ rất lớn so với nồng độ điện tử ở vùngdẫn nhưng khi được kích thích, các điện tử nhảy mức năng lượng làm cho nồng độđiện tử ở vùng dẫn lớn hơn so với nồng độ điện tử ở vùng hóa trị Đồng thời, dưới tácdụng 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 P cũng 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 Hiệntượng phát xạ ở đây chủ yếu là hiện tượng phát xạ tự phát Hiện tượng này được mô tảnhư hình 2.2 dưới đây:

Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của LED

Với mục đích kết hợp để chiếu sáng, loại LED được sử dụng trong VLC sẽ làLED đơn sắc (một trong ba màu RGB) và LED phát ánh sáng trắng (White LED) Cóhai cách thông dụng để tạo ra ánh sáng trắng tương ứng với hai loại LED khác nhau:loại thứ nhất sử dụng một chip bán dẫn xanh (blue) và sau đó được phủ thêm một lớpphosphor bên ngoài hay còn được gọi tên là “LED màu trắng đơn chip” Khi dòng điệnđược cung cấp cho chip LED màu xanh, chip này sẽ phát ra ánh sáng xanh, phosphorsau đó được kích thích bởi màu xanh và sẽ phát ra huỳnh quang màu vàng Sự kết hợphai loại màu này sẽ tạo ra ánh sáng trắng Loại thứ hai là LED cấu tạo với ba chip màuriêng biệt R (~625nm), G (~525nm), B (~470nm), (Red Green Blue) Sau đó ba màunày sẽ được trộn lại với nhau để tạo ra ánh sáng trắng

Bán dẫn loại

n Bán dẫn loại p

Dải dẫn

Dải hóa trị Dải cấm Photon

ánh sáng

Hình 2.3 Hai loại LED phát ánh sáng trắng

Hình 2.4 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 ít phức tạphơn tuy nhiên băng thông lại bị hạn chế, thêm nữa, lớp phosphor chỉ phát xạ ánh sángsau khi chip màu xanh phát xạ, do vậy tốc độ đáp ứng của LED đơn chip sẽ thấp hơn

so với LED RGB Như chúng ta thấy trong hình 2.4 (a), LED đơn chip sẽ có băngthông hạn chế do ảnh hưởng của lớp phosphor, do vậy ta có thể khắc phục nhược điểmnày bằng cách sử dụng một bộ lọc (blue filter) ở phía thu trước khi ánh sáng được đưađến photodiode Còn ở hình (b), LED RGB có thể cung cấp ba kênh truyền dẫn riêngbiệt, mỗi kênh ứng với một chip LED, thích hợp cho WDM, nhưng một vấn đề cầnchú ý đó là cần phải đảm bảo sự cân bằng màu sắc của ánh sáng không bị thay đổi khitruyền dẫn thông tin với VLC

Lớp phosphorLED chip

Phát xạ từ LED (màu xanh)

Huỳnh quang

LED chip(a).LED màu trắng sử dụng 1 chip (b).LED màu trắng sử dụng 3 chip (RGB)

Phổ phát xạ của chip xanh

Phổ phát xạ của lớp phosphor

2.3 Các phương pháp điều chế và điều chỉnh độ sáng trong VLC

Như chúng ta đã biết, truyền thông bằng ánh sáng dựa trên phương pháp điềuchỉnh cường độ của ánh sáng Bất kỳ sự thay đổi nào khi ta điều chế ánh sáng để thôngtin đều có thể gây ảnh hưởng không tốt (đôi khi là nguy hiểm) với mắt người Để tránhđiều này, sự thay đổi cường độ ánh sáng phải nằm trong khoảng thời thay đổi tối đacho phép (Maximum Flickering Time Period – MFTP)

MFTP được định nghĩa là thời gian tối đa mà cường độ ánh sáng có thể thay đổi

mà mắt người không thể cảm nhận được Tần số thay đổi lớn hơn 200Hz (ứng vớiMFTP < 5ms) được coi là an toàn với mắt người, chính vì vậy các phương pháp điềuchế sử dụng trong VLC sẽ phải chú ý đến giá trị MFTP này

Một vấn đề khác nữa, để tiết kiệm và sử dụng năng lượng hiệu quả, chúng taphải sử dụng thêm một phương pháp điều chỉnh ánh sáng hỗ trợ trong quá trình điềuchế (Dimming Method - DS) Tức là cho phép người dùng có thể tăng giảm độ sángđến một giới hạn nào đó trong khi quá trình truyền dẫn dữ liệu vẫn diễn ra

Mắt người thích ứng với sự giảm mức độ sáng bằng cách mở rộng con ngươi,cho phép nhiều ánh sáng đi vào mắt hơn Sự thích ứng của mắt người sẽ gây ra sự khácbiệt giữa mức độ ánh sáng đo được (Measuared Levels of Light – MLL) và mức độánh sáng nhận biết được (Perceived Levels of Light – PLL) Mối quan hệ giữa hai đạilượng này được cho bởi biểu thức (2.4) dưới đây:

(2.4)

Từ hình 2.5 ta thấy, ánh sáng đèn giảm ở mức 10% của MLL tương ứng vớimức 32% của PLL, và do vậy, cần phải có một dải các mức độ điều chỉnh ánh sáng đủlớn, trong khoảng từ 0.1 – 100%

Hình 2.5 Mối quan hệ giữa PLL và MLL 2.3.1 Phương pháp điều chế khóa bật tắt On-Off Keying (OOK)

Phương pháp điều chế khóa bật tắt OOK là một phương pháp điều chế rất phổbiến trong các hệ thống truyền dẫn không dây sử dụng tia hồng ngoại Phương phápnày 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 kýhiệu tương ứng với mức công suất 2P hoặc 0 Tín hiệu có thể được biểu diễn bằng hàm

cơ sở với biểu thức (2.5) dưới đây:

Với và được chọn thống nhất, biên độ trung bình của đượcđặt tại P do phân bố của các ký tự Không gian tín hiệu của OOK bao gồm hai điểm vàđược mô tả như trong hình 2.6 Xác suất lỗi bit được xác định bằng biểu thức (2.8):

(2.8)

Trong đó: tốc độ bit

Hình 2.6 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 nhấp nháy donguyên tắc điều chế tắt bật nguồn sáng theo các bit 0, 1 Để khắc phục hiện tượng này,tín hiệu sẽ được mã hóa với mã Manchester trước khi đưa vào điều chế, bit 0 sẽ được

ký hiệu bằng “01” và bit 1 sẽ được ký hiệu bằng “10” Do đó sẽ tạo ra được một bộ mãcân 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 tathay đổi lại mức độ “bật”, “tắt” đối với các ký tự (có nghĩa không cần thiết phải tắt hẳn

hoàn nguồn sáng, mà chỉ cần đủ nhỏ để có thể phân định rõ ràng giữa hai mức này)hoặc các mức này vẫn giữ nguyên và thay đổi thời gian mức cao (duty-cycle) (tức thờigian 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 độsáng của dữ liệu là A% với chu kỳ T1 và các ký hiệu dư thừa có độ sáng B% với chu

kỳ T2, độ sáng trung bình N(%) sẽ được tính theo công thức (2.9):

(2.9)Hai phương pháp trên đều có những ưu khuyết điểm riêng, đối với phương phápthứ nhất, đặt lại hai mức tắt bật sẽ giữ nguyên tốc độ bit không đổi nhưng sẽ làm thayđổi hai mức độ, có thể gây ra hiện tượng thay đổi màu sắc do phải tác động đến quátrình điều khiển LED Đối với cách còn lại, hai mức độ không đổi nhưng sẽ làm chậmtốc độ bit do đã chèn thêm bit dư thừa vào

2.3.2 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 mới hơn, là

sự kết hợp của hai phương thức điều chế: điều chế vị trí xung (2 Pulse PositionModulation – 2PPM) và điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM)

Trong phương pháp điều chế PPM, mỗi chu kỳ ký hiệu sẽ được chia thành Mchu kỳ con Thông tin sẽ được gửi bằng cách truyền một cường độ quang khác khôngtrong một chu kỳ con, trong khi các chu kỳ con còn lại vẫn giữ nguyên Mỗi chu kỳcon sẽ không trùng lặp về thời gian, do đó mỗi ký hiệu là trực giao với nhau Ví dụ ta

có không gian tín hiệu M = N, M-PPM ký hiệu có thể được xem như một khối mãOOK với chu kỳ là MT trong đó cường độ ra bằng không ngoại trừ trong chu kỳ T.Hàm cơ sở của M-PPM có dạng (2.10):

(2.10)

Trong đó: 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