Bài viết giới thiệu một mô hình cho một hệ thống ánh sáng nhìn thấy đã nhập đã xuất MIMO (Multiple Input Multiple Output) kích thước 12x4 dựa trên kỹ thuật tam giác (Triangulation). Mô hình được đưa ra trong điều kiện các thiết bị đầu cuối nhận tín hiệu ánh sáng được truyền từ các LED trên trần nhà khi di chuyển mọi nơi trong căn phòng.
MƠ HÌNH ĐỊNH VỊ THÍCH NGHI DỰA TRÊN RSSI CHO HỆ THỐNG MIMO VLC Nguyễn Thị Khánh Hà1 Nguyễn Ngọc Huyền Trân2 Nguyễn Văn Khương3 Tóm tắt: Bài báo giới thiệu mơ hình cho hệ thống ánh sáng nhìn thấy đa nhập đa xuất MIMO (Multiple Input Multiple Output) kích thước 12x4 dựa kỹ thuật tam giác (Triangulation) Mơ hình đưa điều kiện thiết bị đầu cuối nhận tín hiệu ánh sáng truyền từ LED trần nhà di chuyển nơi phòng Trong mơ hình VLC (Visible Light Communication) này, đưa 12 thiết bị phát đèn LED thiết bị nhận photodiod Bài báo đưa hình định vị linh hoạt nhằm tối ưu kỹ thuật định vị tam giác dựa kỹ thuật định vị RSS (Receive Signal Strength) Từ khóa: MIMO VLC, Kỹ thuật Triangulation, Định vị linh hoạt, Định vị Mở đầu Giao tiếp ánh sáng nhìn thấy, hoạt động dãi nhìn thấy phổ điện từ có bước sóng từ 370 nm tới 780 nm, kỹ thuật sử dụng đèn LED (light emitting diodes) cho mục đích giao tiếp liệu, phát sáng, cảm biến định vị nhà [1], [2] Trong hệ thống VLC, mơ hình đa nhập xuất (MIMO: Multiple Input Multiple Output) sử dụng nhằm tăng thông lượng (throughput) khả tải (capacity), đồng thời tiết kiệm lượng tiêu thụ [3], [4], [5] Có mơ hình MIMO VLC: (i) MIMO sử dụng camera [5], (ii) MIMO sử dụng photodiod [4] MIMO sử dụng camera tương tự kỹ thuật sử dụng camera, chúng cần hệ thống quang con, MIMO sử dụng photodiod đơn giản linh hoạt Hệ thống VLC MIMO sử dụng photodiod áp dụng nhiều thiết bị nhập xuất cho việc truyền liệu song song Trong hệ thống MIMO khơng dùng camera, liệu gốc phục hồi thiết bị nhận biết đầy đủ thông tin trạng thái kênh truyền (CSI: Channel State Information) từ việc truyền pilot signals (PS) Việc thiếu CSI đầu thu, Một hệ thống VLC MIMO phân tách luồng liệu đầu cuối việc có q nhiều lỗi tiến trình khơi phục [3] Điều kiểm nghiệm môi trường indoor nơi mà người dùng đầu cuối liên tục di chuyển Trong điều kiện thông tin CSI không đầy đủ, để khôi phục liệu từ kênh truyền, MIMO VLC triển khai kênh feedback để nhận dạng kênh bị block ThS, trường Cao đẳng Công nghệ thông tin hữu nghị Việt-Hàn ThS, trường Cao đẳng Công nghệ thông tin hữu nghị Việt-Hàn 3. ThS, khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Quảng Nam 2. 57 MƠ HÌNH ĐỊNH VỊ THÍCH NGHI DỰA TRÊN RSSI CHO HỆ THỐNG MIMO VLC không cho phép liệu truyền kênh bị block Trong trường hợp đó, hệ thống phải cấu hình lại hệ thống MIMO đến cấp bậc thấp để đảm bảo cho việc giao tiếp thách thức [5] Bài báo giới thiệu mơ hình định vị linh hoạt dựa kỹ thuật RSSI (Receive Signal Strength Intensitive) cho hệ thống MIMO VLC việc sử dụng kỹ thuật định vị tam giác điều kiện thiết bị đầu cuối di chuyển môi trường VLC Bài báo tổ chức sau Phần II mô lại hệ thống MIMO VLC với kích thước 4x4 Mơ hình định vị thích nghi chúng tơi trình bày phần III áp dụng kỹ thuật định vị tam giác khai thác thông tin nút Mô hệ thống đánh giá trình bày phần IV Cuối cùng, phần V kết luận báo Mô hình MIMO VLC 2.1 MIMO Một mơ hình MIMO VLC kích thước 4x4 mơ tả Hình Hệ thống bao gồm thiết bị truyền (Txs) độc lập với (4 đèn LED) đồng thời truyền nhiều luồng liệu tới thiết bị nhận (Rxs) Số lượng Txs thay đổi khác tùy thuộc vào kích thước phòng nhu cầu độ sáng phòng; nhiên khơng ảnh hưởng tới ngun tắc làm việc hệ thống MIMO VLC khái niệm ước lượng kênh làm việc Các Rxs di chuyển tự sàn nhà phòng Hình cho thấy hệ thống MIMO VLC kích thước 4x4 làm việc Nó dùng kỹ thuật intensity modulation and direct detection (IM/DD) mà luồng liệu đầu vào Sd ∈ {1,0} đưa vào chuyển đổi tín hiệu serial/parallel (S/P) để đầu mức điện áp DC áp dụng cho phát Txj Tín hiệu truyền Xj j=1, 2, … M Tại đầu nhận, Rx nhận tín hiệu từ tất Txj Hình Mơ hình MIMO VLC 4x4 58 Để khơi phục liệu, hệ thống MIMO yêu cầu CSIs cho tất cặp truyền – nhận Txj Ri để xây dựng ma trận thông tin kênh truyền H = {hij} Để thu thập thông tin trạng thái kênh truyền Tx Rx, PSs định kỳ chèn vào luồng liệu phép Rx ước tính hij, q trình nhật Tx kích hoạt, tất trạm truyền lại phải tắt để tránh Nguyễn Thị Khánh Hà - Nguyễn Ngọc Huyền Trân - Nguyễn Văn Khương nhiễu [6] Tiến trình kết thúc tất pilot signals gửi tất Txs khơi phục Rx ma trận thơng tin trạng thái kênh truyền H thiết lập Sau trình này, tất Txs đồng loạt truyền liệu Tín hiệu nhận Tx tính tốn dựa vào cơng thức: y = Hx + n (1) Trong x biểu diễn tín hiệu truyền n biểu diễn loại nhiễu additive white Gaussian noise (AWGN) Cơng thức (1) viết lại sau: Hệ số kênh truyền hij mơ tả tín hiệu truyền từ trạm phát Tx thứ jth đến trạm thu Rx thứ ith (1 ≤ i, j ≤ M) Giả sử rằng, liên kết Txs Rxs loại tín hiệu truyền thẳng the line-of-sight (LOS) hij định kênh truyền DC biểu diễn công thức sau [7]: Trong θij góc xạ, góc tới, m hệ số Lambertain chùm sáng xác định nửa góc xạ đèn LED cho cơng thức: − ln(2) m= (4) ln(cos(f 1/2 )) Trong φ1/2 nửa góc xạ đèn LED Một phương pháp sử dụng thông dụng để khôi phục lại tín hiệu gốc ban đầu y nhân ma trận nghịch đảo H (i.e., H-1) liệu nhận y cho công thức sau [3]: xrec = H-1y (5) Hình Sơ đồ khối mơ hình MIMO VLC 4x4 59 MƠ HÌNH ĐỊNH VỊ THÍCH NGHI DỰA TRÊN RSSI CHO HỆ THỐNG MIMO VLC 2.2 Thảo luận di chuyển người dùng định vị Trong thực tế, sử dụng Txs cố định để định vị Rx khơng thể định vị xác Rx khoảng cách từ vị trí thực vị trí ước tính cao Cho đến nay, nhiều mơ hình định vị thích ứng đưa cho mạng khơng dây chưa có cho hệ thống VLC Vì báo này, đưa mô hình định vị thích ứng sử dụng RSSI cho việc định vị Rx Trong phần tiếp theo, giới thiệu mơ hình MIMO VLC 12 Txs Rxs để thích ứng việc định dựa RSSI Khi Rx di chuyển đến số nơi phòng, phải chọn Tx với mức lượng truyền cao tới Rx để thực việc định vị Chúng ta bàn phương pháp định vị tam giác áp dụng [3] giới thiệu mơ hình định vị thích nghi Mơ hình định vị thích nghi dựa RSSI cho hệ thống MIMO VLC 3.1 Phương pháp Triangulation Mặc dù hệ thống định toàn cầu global positioning system (GPS) quan tâm phương pháp định vị xác [9], khơng làm việc tốt mơi trường nhà (indoor) tín hiệu bị ngăn cản sở hạ tầng Vì thế, phương pháp định vị tam giác dùng độ xác định cao môi trường indoor [9] Kỹ thuật dựa vị trí Txs để xác định vị trí Rx, quan trọng nhiều ứng dụng đường, làm đồ, định tuyến Như thấy Hình 3, vị trí user Rx(x, y) tìm thấy dựa Tx1(xTx1, yTx1), Tx2(xTx2, yTx2) Tx3(xTx3, yTx3) việc giải hệ phương trình sau: ( x − xTx1 ) + ( y − yTx1 ) = d12 ( x − xTx ) + ( y − yTx ) = d 22 (6) ( x − xTx ) + ( y − yTx ) = d32 Hình Phương pháp triangulation để dự đốn vị trí Rx 60 Trong d1, d2 d3 suy từ nguồn lượng nhận từ Txs tương ứng, biết đến Received Signal Strength (RSS) Nguyễn Thị Khánh Hà - Nguyễn Ngọc Huyền Trân - Nguyễn Văn Khương 3.2 Mơ hình định vị thích nghi dựa RSSI Trong phần này, chúng tơi giới thiệu mơ hình định vị thích nghi với 12 Txs Rxs Bởi việc di chuyển Rx phòng kích thước 15m x 5m, vị trí sau di chuyển chọn Tx có mức lượng truyền cao tới Rx để tiến hành định vị Mơ hình cho Hình Hình Mơ hình MIMO VLC 12x4 Kết thảo luận Mơ hình đề xuất mơ Matlab Một hệ thống MIMO VLC mô tả Hình cấu hình mơ lại với thông số cho Bảng Bảng Các thông số hệ thống MIMO VLC Thông số Giá trị Room Length x Width x Height 5m x 15m x 2.5m Bộ phát LED No of transmitters (LEDs) 12 Các vị trí phát (1.25, 1.25), (1.25, 3.75), (3.75, 3.75), (3.75, 1.25), (6.25, 1.25), (6.25, 3.75), (8.75, 3.75), (8.75, 1.25), (11.25, 1.25), (11.25, 3.75), (13.75, 3.75), (13.75, 1.25) Transmitter pitch 2.5m Optical transmitting power per transmitter 10W 61 MƠ HÌNH ĐỊNH VỊ THÍCH NGHI DỰA TRÊN RSSI CHO HỆ THỐNG MIMO VLC LED bandwidth (Luxeon Rebel cool white SR-01-WC310) MHz Data rate RB Mbps Optical receiver Photodetector (PD) type OSD-15T PD active area 15 mm2 PD responsivity 0.3 Receiver sensitivity (used with AD8015 transimpedance amplifier) -30 dBm Receiver field of view (FOV) (full) 1800 Receiver pitch 10 cm SNR (right under each Tx) 70 dB LPF cut-off frequency 0.7*RB MHz (a) (b) Hình Thơng tin BER sử dụng Txs cố định (a) lựa chọn Txs có mức lượng truyền cao (b) Kết Hình 5a Hình 5b cho thấy phương pháp định vị tam giác cho phép hệ thống MIMO VLC phục hồi lại liệu gốc chi chọn Txs có mức lượng truyền cao mà không phụ thuộc vào vị trí Rx 62 Nguyễn Thị Khánh Hà - Nguyễn Ngọc Huyền Trân - Nguyễn Văn Khương (a) (b) Hình (a) (b) Tính tốn sai số vị trí Rx1, Rx2, Rx3, Rx4 trường hợp cố định Tx1, Tx2, Tx3 trường hợp lựa chọn Txs có mức lượng truyền cao Hình 6a Hình 6b so sánh lỗi vị trí thu thập từ trường hợp cụ thể: cố định Txs (i.e., Tx1, Tx2 Tx3) lựa chọn Txs mà Rx nhận mức lượng truyền từ chúng cao Kết cách rõ ràng cố định Txs lỗi vị trí cao ta lựa chọn Txs có mức lượng phát cao dựa vị trí Rx Kết luận Bài báo đưa mơ hình định vị thích nghi dựa RSSI cho hệ thống MIMO VLC 12x4 phương pháp định vị tam giác Kết mô cho thấy lỗi vị trí mơ hình cải thiện đáng kể so với hệ thống cũ Từ hình (a) cho thấy Rx vị trí xa Tx cố định từ trước mức độ sai số vị trí tăng dần lên đáng kể hình (b) cho thấy sai số vị trí giữ mức ổn định thấp, gần không Bài báo không đề cập đến việc thay đổi tốc độ, hướng di chuyển Rx mức độ ảnh hưởng tới tốc độ trao đổi liệu thực lỗi vị trí Rx Một hướng nghiên cứu khác hệ thống định vị sử dụng photodiod bên tòa nhà khả phát loại bỏ loại nhiễu, đặc biệt từ nguồn sáng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] C-H Chang, C-Y Li H-H Lu, C-Y Lin, J-H Chen, Z-W Wan and C-J Cheng, “A 100-Gb/s Multiple-Input Multiple-Output visible Laser Light Communication System”, Journal of Lightwave Technology, vol 32, no 24, pp.4723-4729, 2014 [2] P.C.S Zvanovec, P.A Haigh, Z Ghassembooy, “Visible Light Communications Towards 5G,” Radioengineering, vol 24, no 1, pp – 9, 2015 [3] H Le-Minh, z Ghassemlooy, A Burton, F Mousa, S Biswas, A Tuan Pham, T Dat Pham, and S-K Liaw, “Self-Correcting Multiple Input Multiple Output Visible Light 63 MƠ HÌNH ĐỊNH VỊ THÍCH NGHI DỰA TRÊN RSSI CHO HỆ THỐNG MIMO VLC Communications System Using Localization,” in IEEE International Conference on Communications, London, June 2015 [4] Z Lubin, D O’Brien H Le-Minh, G Faulkner, L Kyungwoo, J Daekwang et al., “High data rate multiple input multiple output (MIMO) optical wireless communications using white LED lighting,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol 27, pp 1654 – 1662, 2009 [5] A Nuwanpriya, S-W Ho and C S Chen, “Indoor MIMO Visible Light Communications: Novel Angle Diversity Receivers for Mobile Users,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol 33, no.9, pp 1780-1792, 2015 [6] H Le-Minh, D O’Brien, G Faulkner et al., “100-Mb/s NRZ Visible Light Communications Using a Postequalized White LED,”, IEEE Photonics Technology Letters, vol 21, pp 1063-1065, 2009 [7] T.Komine and M Nakagawa, “FundamentalAnalysis for Visible Light Communication system Using LED Lights,” IEEE Transactions on Consumer Electronics, vol 50, pp 100-107, 2004 [8] J C Juang, “On GPS positioning and integrity monitoring,”, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol 36, no 1, pp 327-336, 2000 [9] H Liu, H Darabi, P Baneriee, and J Liu, “Survey of Wireless Indoor Positioning Techniques and Systems,” IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, part C: Applications and Reviews, vol 37, no 6, pp 1067-1080, 2007 Title: ADAPTIVE RSSI-BASED POSITIONING MODEL FOR MIMO VLC NGUYEN THI KHANH HA Korea-Vietnam friendship information technology college NGUYEN NGOC HUYEN TRAN Korea-Vietnam friendship information technology college NGUYEN VAN KHUONG Quang Nam University Abstract: This paper introduces a novel model for channel state information (CSI) 12x4 multiple input multiple output (MIMO) visible light communication based on the triangulation method The proposed model can fully work under condition that Rxs move anywhere in an indoor environment In this work we propose a VLC model with 12 Txs and Rxs in the case of any Rx moving in the room The paper uses a novel adaptive model that utilises the triangulation method based on RSS technique Keywords: MIMO VLC, Triangulation Technique, Adaptive RSSI-based; Positioning 64 ... dựa vị trí Rx Kết luận Bài báo đưa mơ hình định vị thích nghi dựa RSSI cho hệ thống MIMO VLC 12x4 phương pháp định vị tam giác Kết mô cho thấy lỗi vị trí mơ hình cải thiện đáng kể so với hệ thống. .. định vị Mơ hình cho Hình Hình Mơ hình MIMO VLC 12x4 Kết thảo luận Mơ hình đề xuất mơ Matlab Một hệ thống MIMO VLC mô tả Hình cấu hình mơ lại với thông số cho Bảng Bảng Các thông số hệ thống MIMO. .. tới Rx để thực việc định vị Chúng ta bàn phương pháp định vị tam giác áp dụng [3] giới thiệu mơ hình định vị thích nghi Mơ hình định vị thích nghi dựa RSSI cho hệ thống MIMO VLC 3.1 Phương pháp