(Luận văn thạc sĩ) phân tích và đánh giá hiệu năng mạng VLC trong nhà dựa trên công nghệ CDMA

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG -*** - NGUYỄN XUÂN SƠN PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG VLC TRONG NHÀ DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ CDMA LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ( Theo định hướng ứng dụng) Hà Nội - 2021 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG -*** - NGUYỄN XUÂN SƠN PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG VLC TRONG NHÀ DỰA TRÊN CƠNG NGHỆ CDMA Chun ngành: Kỹ thuật viễn thơng Mã số: 8.52.02.08 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ( Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS PHẠM THỊ THÚY HIỀN Hà Nội - 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu mà tơi thực hướng dẫn TS Phạm Thị Thúy Hiền Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả luận văn NGUYỄN XUÂN SƠN ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .v DANH MỤC BẢNG vii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THƠNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY 1.1 Tổng quan công nghệ VLC 1.1.1 Giới thiệu công nghệ VLC 1.1.2 Lịch sử phát triển công nghệ VLC .1 1.1.3 Đặc điểm công nghệ VLC 1.2 1.1.3.1 Dung lượng 1.1.3.2 An toàn 1.1.3.3 Bảo mật Cấu trúc hệ thống VLC .6 1.2.1 Mơ hình hệ thống .6 1.2.2 Phía phát .7 1.2.2.1 Cấu trúc phía phát 1.2.2.2 Hoạt động LED .7 1.2.2.3 Phân loại đèn LED 1.2.3 Kênh truyền 11 1.2.3.1 VLC đơn kênh (Hệ thống đầu vào – đầu ra: SISO) 11 1.2.3.2 VLC đa kênh .12 1.2.4 Phía thu .13 1.2.4.1 Bộ tách sóng quang 13 1.2.4.2 Bộ tập trung quang 15 iii 1.2.4.3 1.2.5 1.3 Bộ lọc quang 16 Các phương pháp điều chế sử dụng VLC .16 1.2.5.1 Phương pháp điều chế khóa bật tắt OOK 16 1.2.5.2 Phương pháp điều chế vị trí xung biến đổi .19 1.2.5.3 Phương pháp điều chế R-RZ (Reverse- RZ) .22 1.2.5.4 Phương pháp điều chế khóa dịch màu (Color-Shift Keying) 23 Ứng dụng VLC sống 24 1.3.1 Ứng dụng sống thông minh 24 1.3.2 Ứng dụng nhà xưởng thông minh IoT .27 1.4 Kết luận chương 27 Chương 2: Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã CDMA 28 2.1 Nguyên lý kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) 28 2.2 Kỹ thuật trải phổ .28 2.2.1 Trải phổ chuỗi trực tiếp 30 2.2.2 Trải phổ nhảy tần số 32 2.2.3 Trải phổ nhảy thời gian 33 2.3 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã quang .34 2.3.1 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã quang 34 2.3.2 Các hệ thống OCDMA quang 34 2.3.3 Mã sử dụng hệ thống CDMA quang .36 2.3.3.1 Mã nguyên tố 1D .36 2.3.3.2 Mã nguyên tố 2D WH/TS 38 2.3.4 Nhiễu hệ thống CDMA quang 41 2.3.4.1 Nhiễu thu 41 2.3.4.2 Nhiễu đa truy nhập 41 iv 2.4 Kết luận chương 42 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG VLC DỰA TRÊN KỸ THUẬT CDMA 43 3.1 Giới thiệu chung 43 3.2 Mạng mơ hình kênh 46 3.2.1 Mã hóa mạng tương tự .46 3.2.2 Mô hình kênh VLC 49 3.3 Phân tích hiệu 50 3.3.1 Tỉ lệ lỗi bit 51 3.3.2 Thông lượng mạng 53 3.4 Các kết số liệu 55 3.5 Kết luận chương 60 KẾT LUẬN .61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt BER Bit error rate Tỷ lệ bit lỗi IM/DD Intensity Modulation/ Direct Detection LED Light emmiting diode Đèn LED LOS Light of Sight Tâm nhìn thẳng NLOS None Light of Sight Tầm nhìn khơng thẳng OLED Organic Light emmiting diode Đèn quang điện hữu PPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung RGB Red Green Blue SNR Signal to Noise Ratio VLC Visible light communication PWM Pulse Width Modulation FDMA Frequency Division Multiple Access CPC Compound Parabolic Concentrator Bộ tập trung quang APD Avalanche Photo-Diode Diode quang thác điện tử CSK Color-Shift Keying Điều chế khóa dịch màu SSL Solid-State Sighting Ánh sáng bán dẫn NRZ-OOK Non-Return-to-Zero ON/OFF Keying Mã hóa khơng trở Điều chế cường độ, phát trực tiếp Mô hình màu đỏ, xanh lá, xanh làm Tỉ số tín hiệu tạp âm Truyền thơng ánh sáng nhìn thấy Điều chế độ rộng xung Đa truy nhập phân chia theo tần số vi không VPM Variable Pulse Position Modulation CDMA Code Division Multiple Access OCDMA Optical Code Division Multiple Access TDMA Time Division Multiple Access WDMA Wavelength Division Multiple Access Điều chế xung biến đổi Đa truy nhập phân chia theo mã Đa truy nhập phân chia theo mã quang Đa truy nhập phân chia theo thời gian Đa truy nhập phân chia theo bước sóng vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Lịch sử phát triển VLC Bảng 1.2 So sánh tham số VLC, IRB FRB .6 Bảng 2.1 Phép toán cộng nhân GF(7) 37 Bảng 2.2 Chuỗi nguyên tố Si GF(7) 38 Bảng 2.3 Bộ mã nguyên tố GF(7) 38 Bảng 2.4: Mã nguyên tố xây dựng từ p = 39 Bảng 2.5 Bộ mã nguyên tố 2D p=5 40 Bảng 3.1 Các số tham số mạng 55 viii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Dải phổ ánh sáng nhìn thấy Hình 1.2 Mơ hình hệ thống VLC Hình 1.3 Thành phần phía phát hệ thống VLC Hình 1.4: Cơ chế hoạt động LED Hình 1.5 Phân loại LED Hình 1.6 Hai cách tạo ánh sáng trắng từ LED 10 Hình 1.7 Cường độ phát xạ LED: (a) LED đơn chip, (b) LED RGB 10 Hình 1.8 Mơ hình kênh truyền LOS 12 Hình 1.9 Thành phần thu hệ thống VLC 13 Hình 1.10 Cấu trúc Diode PIN 14 Hình 1.11 Cấu trúc Diode thác APD 15 Hình 1.12 Bộ tập trung quang CPC 15 Hình 1.13 Quá trình phản xạ CPC .16 Hình 1.14 Điều chế NRZ-OOK 17 Hình 1.15 Hàm sở (a) khơng gian tín hiệu NRZ-OOK (b) .17 Hình 1.16 Tăng độ sáng cách chèn thêm ký hiệu dư thừa CS 19 Hình 1.17 Hàm sở 2-PPM 20 Hình 1.18 Mơ hình VPM cấu tạo từ 2-PPM với độ sáng 50%(a) PWM để điều chỉnh độ sáng (b) .20 Hình 1.19 Dạng sóng tín hiệu VPM với độ rộng xung 75% 21 Hình 1.20 Điều chỉnh sáng tối điều chế VPM 21 Hình 1.21 Tín hiệu hai phương pháp RZ IRZ 22 Hình 1.22 Tín hiệu R-RZ .22 49 Hình 3.3 Sơ đồ khối phối hợp Trong khe thời gian thứ hai, tín hiệu quang kết hợp phát lại cho tất người dùng Tại thu người dùng, tín hiệu quang trước tiên chuyển đổi thành tín hiệu điện sau giải mã để loại bỏ tín hiệu khỏi tín hiệu kết hợp Để khơng tính tổng qt, giả định người dùng #c cố gắng tách tín hiệu từ người dùng #d Tín hiệu thu người dùng #c, sau giải mã mạng tương tự, biểu diễn sau: (𝑇) (𝑅) 𝑆̂𝑑 (𝑡) = ∑𝐿𝑖=1 𝑐𝑑,𝑖 (𝑡)𝑝(𝑡 − 𝑖𝑇𝑐 )√𝑃𝑑 𝑒𝑥𝑝[𝑗(𝜔𝑐 𝑡 + 𝜃𝑘 )] (𝑅) + ∑𝐾𝑘=1,𝑘≠𝑐,𝑑 ∑𝐿𝑖=1 𝑐𝑘,𝑖 (𝑡)𝑝(𝑡 − 𝑖𝑇𝑐 )√𝑃𝑘 𝑒𝑥𝑝[𝑗(𝜔𝑐 𝑡 + 𝜃𝑘 )] (3.4) (𝑇) (𝑅) Ở đây, 𝑆̂𝑑 ước lượng tín hiệu phát từ người dùng #d 𝑃𝑘 = (𝑇−𝐶) 𝑃𝑘 (𝐷) (𝐷) 𝐻𝑘 𝑇𝑐 𝐺𝑐𝑜𝑛 , 𝐻𝑘 hệ số kênh tuyến xuống Biểu thức số hạng cơng thức (3.4) tín hiệu mong muốn số hạng thứ hai đại diện cho nhiễu đa người dùng Cuối cùng, người dùng #c khơi phục tín hiệu mong muốn từ Người dùng #d cách sử dụng chuỗi mã thích hợp, tức 𝑐𝑑 (𝑡) 3.2.2 Mơ hình kênh VLC Kênh ánh sáng nhìn thấy mơ hình hóa kênh nhiễu Gaussian trắng cộng quang tuyến tính (AWGN) biểu diễn sau: 𝑦 (𝑡 ) = 𝑥 (𝑡 ) ⊗ ℎ (𝑡 ) + 𝑛 (𝑡 ) (3.5) 50 Trong 𝑥 (𝑡 ), 𝑦(𝑡), ⊗ ℎ(𝑡) tương ứng đại diện cho tín hiệu truyền tức thời, tín hiệu nhận tức thời, tích chập đáp ứng xung kênh 𝑛(𝑡) nhiễu Gaussian ký hiệu ⊗ biểu thị tốn tử tích chập Độ lợi kênh dc phép biến đổi Fourier ℎ(𝑡) xác định theo [16 ]: (𝑚+1)𝐴 𝐻={ 2𝜋𝑑2 𝑐𝑜𝑠 𝑚 (∅)𝑇𝑠 (𝜓)𝑔(𝜓)𝑐𝑜𝑠(𝜓), ≤ 𝜓 ≤ 𝛙𝐜 0, 𝜓 > 𝛙𝐜 , , (3.6) Trong 𝐴, 𝑑, 𝜙 𝑣à 𝜓 tương ứng diện tích vật lý tách sóng photodiode, khoảng cách máy phát bề mặt máy thu, góc chiếu xạ hợp với trục pháp tuyến bề mặt máy phát góc tới trục pháp tuyến bề mặt máy thu 𝑇𝑠 (𝜓)là độ lợi lọc quang 𝜓𝑐 độ rộng trường nhìn (FOV) máy thu Độ lợi tập trung quang máy thu, 𝑔𝜓 , bậc phát xạ Lambertian, m, xác định [16] 𝑛2 , ≤ 𝜓 ≤ ψc, 𝑔(𝜓) = {𝑠𝑖𝑛2 ψc 0, 𝜓 > ψc , 𝑚= 𝑙𝑛(2) (3.7) , 𝑙𝑛(𝑐𝑜𝑠(Φ1⁄2 )) (3.8) Trong 𝑛 Φ1⁄2 chiết suất bán góc nửa cơng suất Trong (𝑈) phân tích, hệ số kênh đường lên 𝐻𝑘 (𝐷) đường xuống (𝐻𝑘 ) tính cách sử dụng cơng thức (3.6), 𝑑, 𝜑 𝜓 xác định dựa tọa độ người dùng thứ 𝑘 người điều phối 3.3 Phân tích hiệu 51 3.3.1 Tỉ lệ lỗi bit Trong phân tích này, ta giả định tất người dùng có xác suất phát bit “1” bit “0”, 1⁄2 Về thuộc tính mã, ta ký hiệu 𝐿, 𝑤 𝑣à 𝛾 tương ứng độ dài mã, trọng số mã giá trị tương quan chéo Lỗi bit tính tốn dựa tín hiệu nhận thời lượng bit Khi người dùng mong muốn gửi bit “1”, có w chip quang từ người dùng mong muốn λ chip quang từ người dùng không mong muốn xuất đầu giải mã OCDMA máy thu Khi người dùng mong muốn gửi bit “0”, λ chip quang từ người dùng không mong muốn xuất đầu giải mã Khi người dùng #c tách tín hiệu người dùng #d gửi, dòng điện cho trường hợp bit “1” bit “0” biểu diễn sau: (𝑅) 𝐼(1) = ℜ(𝑤𝑃𝑑 + 𝑃𝑀𝑈𝐼 ), 𝐼(0) = ℜ𝑃𝑀𝑈𝐼 , (3.9) (3.10) ℜ đáp ứng PD 𝑃𝑀𝑈𝐼 công suất nhiễu đa người dùng , điều chỉnh giá trị tương quan chéo (λ) số lượng người dùng hoạt động (𝑙) 𝑃𝑀𝑈𝐼 = ∑𝑙𝑘=1 𝜆𝑃𝑘 Trong trường hợp công suất quang từ người dùng điều khiển dựa vị trí để cơng suất nhận người dùng #c, từ tất người dùng giống ký hiệu 𝑃(𝑅) Tổng công suất MUI viết (𝑅) 𝑃𝑀𝑈𝐼 = 𝑙𝜆𝑃𝑘 Ta xét ba loại nhiễu phân tích hiệu suất bao gồm nhiễu nổ, nhiễu nhiệt nhiễu gao thoa quang, có phương sai xác định theo: [16], [17] (𝑅) 𝜎𝑠ℎ−1 = 2𝑞ℜ(𝑤𝑃𝑑 𝜎𝑠ℎ−0 + 𝑃𝑀𝑈𝐼 )𝐵 + 2𝑞𝐼𝐵 𝐼2 𝐵, = 2𝑞ℜ𝑃𝑀𝑈𝐼 𝐵 + 2𝑞𝐼𝐵 𝐼2 𝐵, (3.11) 52 𝜎𝑡ℎ = 8𝜋𝑘𝑇𝑘 16𝜋 𝑘𝛤𝑇𝑘 2 𝐶𝑝𝑑 𝐴𝐼2 𝐵2 + 𝐶𝑝𝑑 𝐴𝑃𝐷 𝐼3 𝐵3 , 𝐺𝑜𝑙 𝑔𝑚 (3.12) 𝑙 𝜎𝑏𝑛 𝐵𝐿 (𝑅) (𝑅) = ( ) ℜ2 𝑃𝑑 ∑ λ 𝑃𝑘 𝐵𝑂 𝑘=1 (3.13) Công thức (3.11) cho thấy phương sai nhiễu nổ cho hai trường hợp bit “1” 2 bit “0” (𝜎𝑠ℎ−1 𝜎𝑠ℎ−0 ), q, 𝐼2 𝐼𝐵 điện tích, tích phân thành phần “số hạng” thứ hai , dòng điện đo cách sử dụng ánh sáng mặt trời trực tiếp Băng thông nhiễu tương đương 𝐵 = 𝑅𝑏 , với 𝑅𝑏 tốc độ liệu kênh VLC Công thức (3.12) biểu thị phương sai nhiễu nhiệt, 𝜅 số Boltzmann, 𝑇𝑘 nhiệt độ tuyệt đối, 𝐺𝑜𝑙 độ lợi điện áp vòng hở, 𝐶𝑝𝑑 điện dung cố định tách sóng quang đơn vị diện tích, 𝛤 hệ số nhiễu kênh bóng bán dẫn hiệu ứng trường ( FET), 𝑔𝑚 hệ số truyền dẫn FET, I3 tích phân thành phần (số hạng) thứ ba Nhiễu giao thoa quang, tính cơng thức (3.13), tạo tín hiệu quang mong muốn tín hiệu gây nhiễu kết hợp tách sóng quang Trong cơng thức (3.13), 𝐵0 băng thông quang Tổng phương sai nhiễu trường hợp bit “1” bit “0” tương ứng 2 𝜎12 = 𝜎𝑠ℎ−1 + 𝜎𝑡ℎ + 𝜎𝑏𝑛 , 2 𝜎02 = 𝜎𝑠ℎ−0 + 𝜎𝑡ℎ (3.14) (3.15) Theo cơng thức (3.4), tín hiệu MUI đóng góp từ 𝐾 − người dùng gây nhiễu, 𝑙 người dùng (trong số 𝐾 − người dùng gây nhiễu) phát 53 bit “1” Do đó, l mơ hình hóa biến nhị thức với xác suất Giả sử ngưỡng tối ưu sử dụng, xác suất có điều kiện để gửi bit “1” phát bit “0” xác suất gửi bit “0” phát bit “1” Do đó, tỷ lệ lỗi bit tính tốn: 𝐾−2 𝐾 − −(𝐾−2) 𝐼 (1) − 𝐼(0) )2 ), 𝐵𝐸𝑅 = ∑ ( 𝑄( 𝑙 𝜎1 + 𝜎0 𝑙=1 (3.16) “Q(.)” hàm Q 3.3.2 Thông lượng mạng Thông lượng mạng đề cập đến tốc độ liệu trung bình việc phân phối gói liệu thành cơng qua mạng đo bit giây (𝑏/𝑠) Để tính tốn thơng lượng mạng, ta ký hiệu 𝑁 số bit gói liệu 𝑇𝑠 thời lượng khe, nơi gói chứa Theo đó, tốc độ liệu danh nghĩa biểu thị 𝑅𝑏 = 𝑁/𝑇𝑠 (b/s) Vì phối hợp dựa ANC với chuyển tiếp khuếch đại chuyển tiếp, lỗi gói người dùng #𝑐 phụ thuộc vào gói lỗi người dùng #𝑑 ngược lại Do đó, định nghĩa Ω𝑐 Ω𝑑 kiện mà gói tin ̅ 𝑐 nhận cách xác người dùng #𝑐 người dùng #d Ngoài ra, Ω ̅ 𝑑 biểu thị kiện bổ sung Do đó, có 𝑃(Ω𝑥 ) 𝑃(Ω ̅ 𝑥 ) xác Ω ̅ 𝑐 , 𝑥 𝜖 {𝑐, 𝑑 } Trao đổi gói người dùng #𝑐 suất biến cố Ω𝑥 Ω người dùng #𝑑 xảy hai khe thời gian, tức 2𝑇𝑠 Có ba khả mà gói nhận người dùng #c người dùng #d sau:  Cả Người dùng #𝑐 Người dùng #𝑑 nhận gói tin với xác suất 𝑃(Ω𝑐 , Ω𝑑 )  Gói tin nhận Người dùng #c Người dùng #d với ̅ 𝑑 ) 𝑃( Ω ̅ 𝑐 , Ω𝑑 ) xác suất 𝑃(Ω𝑐 , Ω 54 Giả sử gói truyền lại nhận xác, số khe thời gian trung bình cần thiết để gửi gói thành cơng 2𝑇𝑠 /𝑃(𝑋, 𝑌) Thông lượng hai người dùng cung cấp 𝑇𝑃2𝑢 = = = = 𝑅𝑠 2 ̅ 𝑑 ) + 𝑃( Ω ̅ 𝑐 , Ω𝑑 )] [2𝑃(Ω𝑐 , Ω𝑑 ) + 𝑃(Ω𝑐 , Ω (3.17) [𝑃(Ω𝑐 ) + 𝑃(Ω𝑑 )] 𝑅𝑠 𝑅𝑠 2𝑁 𝑁 𝑁 + + 2𝑇𝑠 2𝑇𝑠 2𝑇𝑠 ̅ ̅ 𝑃(Ω𝑐 , Ω𝑑 ) 𝑃(Ω𝑐 , Ω𝑑 ) 𝑃( Ω𝑐 , Ω𝑑 ) [(1 − 𝑃𝐸𝑃𝑑−𝑐 ) + (1 − 𝑃𝐸𝑃𝑐−𝑑 )] Trong 𝑃𝐸𝑃𝑑−𝑐 𝑃𝐸𝑃𝑐−𝑑 xác suất lỗi gói người dùng #c Người dùng #d, giả định giống tính đối xứng Trong trường hợp xác suất lỗi gói tất người dùng nhau, ký hiệu 𝑃𝐸𝑃𝑥−𝑦 , thông lượng mạng đạt từ thơng lượng hai người dùng 𝐾 𝐾 𝑇𝑃𝑁 = ⌊ ⌋ 𝑇𝑃2𝑢 = ⌊ ⌋ 𝑅𝑠 (1 − 𝑃𝐸𝑃𝑥𝑦 ), 2 (3.18) [ ] tốn tử sàn 𝐾 số người dùng Đối với gói liệu có độ dài 𝑁 bit, xác suất lỗi gói hàm tỷ lệ lỗi bit điều tính tốn 𝑃𝐸𝑃𝑥𝑦 = − (1 − 𝐵𝐸𝑅)𝑁 (3.19) 55 3.4 Các kết số liệu Xét mạng VLC bên phịng có kích thước điển hình 𝑊 = m, 𝐷 = m 𝐻 = m Nằm trần nhà phối hợp hướng xuống đất, nằm mặt phẳng có độ cao 𝐻𝑝 = 0,75 m so với mặt đất thiết bị hướng phối hợp Mạng VLC xem xét dựa mã trực giao quang (OOC) (43, 7, 1) với độ dài mã L = 43, trọng số mã w = 7, giá trị tương quan chéo λ = Các số tham số mạng khác thể Bảng 3.1 Bảng 3.1 Các số tham số mạng Tên Giá trị Chỉ số điều chế ml = 0.8 Hệ số tái hợp tách sóng quang ℜ = 0.54 A/W Khu vực máy dị A = cm2 Chiết suất thấu kính tách sóng quang N = 1.5 Nửa cơng suất Φ1⁄2 = 60° Độ lợi lọc quang Ts (ψ) = Chiều rộng FOV ψc = 60° Số lượng bóng đèn mảng nLED = 60 × 60 Dịng nhiễu IB = 5100 μA Băng thông nhiễu B = 150 Mb/s Băng thông quang Bo = 1.28 THz Nhiệt độ tuyệt đối Tk = 300K 56 Độ lợi điện áp vòng hở Hệ số nhiễu kênh bóng bán dẫn hiệu ứng trường Hệ số chất dẫn điện bóng bán dẫn hiệu ứng trường Điện dung cố định tách sóng quang Gol = 10pF/cm2 Γ = 1.5 g m = 30 mS Cpd = 112 pF/cm2 Tích phân thành phần thứ hai I2 = 0.562 Tích phân thành phần thứ ba I3 = 0.0868 Hệ số khuyếch đại thu GA = 30 dB Hằng số điện tích q = 1.6 × 10−19 C Hằng số Boltzmann k = 1.38 × 10−23 WHz −1 K −1 Đầu tiên, ta đánh giá tác động MUI với vấn đề gần xa đến hiệu mạng VLC đề xuất sử dụng OCDMA Trong Hình 3.4, khảo sát BER liên kết kết nối hai người dùng (người dùng #c người dùng #d) nằm góc phịng (tức khoảng cách liên kết dài nhất) Ngoài ra, người sử dụng gây nhiễu nằm gần điểm trung tâm phòng với khoảng cách ký hiệu 𝑟 Tại hình 3.4 cho thấy tác động MUI nghiêm trọng người dùng gây nhiễu gần điểm trung tâm phòng, tức khoảng cách liên kết ngắn Do đó, cần BER cao cơng suất phát lớn 𝑟 giảm Ví dụ, với K = người dùng (2 người dùng mong muốn người dùng gây nhiễu), công suất phát yêu cầu tăng khoảng 50 𝑚𝑊 𝑟 giảm từ 1,5 m xuống 0,5 m Ta thấy BER tăng MUI số lượng người dùng (K) tăng từ lên người dùng Hình 3.5 Trong hình này, vị trí Người dùng #c Người dùng #d góc phịng người sử dụng gây 57 nhiễu đặt cách tâm điểm phịng 0,5 m Có thể thấy công suất phát yêu cầu Người dùng #c người dùng #d cần phải tăng 60 mW (từ 285 mW lên 345 mW) số người dùng tăng từ lên người dùng để giữ BER 10−6 Bằng cách sử dụng chế điều khiển công suất, giúp giữ cho công suất từ người dùng mong muốn người dùng can nhiễu nhau, tác động MUI giảm thiểu Do đó, cơng suất phát u cầu giảm từ 345 mW xuống 273 mW K = người sử dụng Hình 3.4 Tỉ lệ lỗi bít (BER) theo cơng suất quang phát người dùng c với K= người dùng Với giả định điều khiển công suất sử dụng, Hình 3.6 thể BER liên kết VLC kết nối hai người dùng với giá trị khác công suất quang nhận được, bao gồm 2,27 μ𝑊, 2,36 μ𝑊 2,45 μ𝑊 Rõ ràng BER giảm số lượng người dùng hoạt động tăng lên Điều tác động MUI, điều chỉnh K Hình giúp xác định số lượng người dùng hỗ trợ tương ứng với giá trị cụ thể BER Ví dụ, mạng VLC đề xuất hỗ trợ khoảng người dùng với BER 10−6 công suất nhận 2,27 58 µW Khi cơng suất nhận tăng lên 2,45 µW, số người dùng hỗ trợ 12 người dùng Hình 3.5 Tỉ lệ lỗi bít (BER) theo cơng suất quang phát người dùng c với r = 0.5 m Mối quan hệ thông lượng mạng số lượng người dùng (𝐾) thể Hình 3.7, tổng số bit gói 5000 bit Khi số lượng người dùng ít, tác động MUI khơng đáng kể Do đó, K tăng cải thiện thơng lượng mạng Tuy nhiên, K lớn, MUI gây gia tăng BER, dẫn đến tăng xác suất lỗi gói làm giảm thơng lượng mạng Chúng ta thấy rõ hình có giá trị tối ưu K, thơng lượng mạng đạt giá trị đỉnh Thông lượng đỉnh phụ thuộc vào công suất quang nhận Cụ thể hơn, tăng theo cơng suất phát cơng suất nhận lớn giúp giảm MUI 59 Hình 3.6 Tỉ lệ lỗi bit theo số lượng người dùng hoạt động với điều khiển cơng suất Hình 3.7 Thơng lượng mạng theo số lượng người dùng hoạt động với N = 5000 bits Để xác định giá trị phù hợp cho FOV (Ψ𝑐 ), ta khảo sát BER theo Ψ𝑐 Hình 3.8 Ta xét trường hợp xấu hai người dùng coi nằm góc phòng Ta nhận thấy rằng, Ψ𝑐 nhỏ (nhỏ 59◦), thu điều phối nhận đủ công suất quang từ phát người dùng ngược lại để tách tín hiệu Do đó, BER liên kết cao Trong trường hợp Ψ𝑐 lớn, 60 suy hao hình học tạo BER cao Cần lưu ý rằng, suy hao hình học suy hao xảy phân kỳ chùm quang Suy hao diện tích quang máy thu với diện tích chùm sáng máy thu Các giá trị Ψ𝑐 phải chọn cho BER (𝑇) liên kết ngưỡng Với 𝑃𝑐,𝑑 = 290 mW, Φ1/2 = 70◦ BER =10−6 , Ψ𝑐 phải nằm khoảng 58,5𝜊 64𝜊 (𝑻) Hình 3.8 Tỉ lệ lỗi bít theo góc nhìn với 𝚿𝒄 với 𝛟𝟏⁄ = 𝟕𝟎°, 𝑷𝒄,𝒅 = 𝟐𝟗𝟎 mW K = 𝟐 người dùng 3.5 Kết luận chương Chương đưa mơ hình mạng VLC nhà dựa cơng nghệ CDMA Phân tích đánh giá hiệu mạng VLC nhà dựa công nghệ CDMA Từ thực đánh giá khả áp dụng giải pháp CDMA vào hệ thống VLC thông qua biểu thức tốn học cho BER thơng lượng Kết số cho thấy BER thấp thông lượng mạng cao đạt mạng mơ hình mạng đề xuất Dựa kết qủa, ta xác định xác định công suất quang truyền yêu cầu, số lượng người dùng hỗ trợ thơng số phù hợp thu phát VLC nửa cơng suất bán góc FOV 61 KẾT LUẬN Luận văn thực nghiên cứu tổng quan cấu trúc mạng truyền thơng ánh sáng nhìn thấy lợi ích áp dụng cơng nghệ CDMA vào mạng truyền thơng ánh sáng nhìn thấy Đề tài tập trung nghiên cứu kiến trúc cho mạng VLC nhà hỗ trợ truyền hai chiều cho nhiều người dùng phòng Trong phạm vi luận văn, luận văn tập trung trình bày đặc điểm sau:  Nội dung luận văn cao học cung cấp số kiến thức truyền thông ánh sáng nhìn thấy kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã CDMA  Đưa mơ hình mạng VLC nhà dựa cơng nghệ CDMA để từ phân tích đánh giá hiệu mạng VLC Đóng góp luận văn đưa kiến trúc cho mạng VLC nhà hỗ trợ truyền hai chiều cho nhiều người dùng phòng Xây dựng biểu thức tốn học cho BER thơng lượng mạng VLC đề xuất kết hợp với mơ hình kênh VLC nhà, thông số thu phát, tác động tạp âm nhiễu Các biểu thức toán học thu dùng để khảo sát hiệu suất mạng so với tham số lớp vật lý khác để đánh giá tính khả thi mạng VLC đề xuất 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hien T T Pham and Ngoc T Dang, “Analog network coding aided multiuser visible light communication networks using optical CDMA”, OSA Continuum, Vol 2, No 9, 15 September 2019 [2] Z Ghassemlooy, L N Alves, S Zvanovec, and M.-A Khalighi, Visible Light Communications: Theory and Applications (CRC Press, 2017) [3] G Cossu, A M Khalid, P Choudhury, R Corsini, and E Ciaramella, “3.4 gbit/s visible optical wireless transmission based on rgb led,” Opt Express 20(26), B501–B506 (2012) [4] Y Wang, X Huang, L Tao, J Shi, and N Chi, “4.5-gb/s rgb-led based wdm visible light communication system employing cap modulation and rls based adaptive equalization,” Opt Express 23(10), 13626-13633 (2015) [5] Y Wang, N Chi, Y Wang, L Tao, and J Shi, “Network architecture of a high-speed visible light communication local area network,” IEEE Photonics Technol Lett 27(2), 197–200 (2015) [6] J Dang and Z Zhang, “Comparison of optical ofdm-idma and optical ofdma for uplink visible light communications,” (Huangshan, China, September 2012), Talk at 2012 International Conference on Wireless Communications and Signal Processing (WCSP) [7] H Marshoud, V Kapinas, G Karagiannidis, and S Muhaidat, “Non-orthogonal multiple access for visible light communications,” IEEE Photonics Technol Lett 28(1), 51–54 (2016) [8] Z Chen and H Hass, “Space division multiple access in visible light communications,” (London, UK, June 2015), Talk at 2015 IEEE International Conference on Communications (ICC) [9] Y Qiu, S Chen, H H Chen, and W Meng, “Visible light communications based on cdma technology,” IEEE Wirel Commun 25(2), 178–185 (2018) 63 [10] A Stok and E H Sargent, “The role of optical cdma in access networks,” IEEE Wirel Commun Mag 40(9), 83–87 (2002) [11] M F Guerra-Medina, O Gonzalez, B Rojas-Guillama, J A Martin-Gonzalez, F Delgado, and J Rabadan, “Ethernet-ocdma system for multi-user visible light communications,” Electron Lett 48(4), 227–228 (2012) [12] M Noshad and M Brandt-Pearce, “High-speed visible light indoor networks based on optical orthogonal codes and combinatorial designs,” (London, UK, 2013), Talk at 2013 IEEE Globecom - Optical networks and systems symposium (GLOBECOM) [13] Y Idriss, R K Sahbudin, S Hitam, and S B A Anas, “Performance comparison of indoor vlc system employing sac-ocdma technique,” (Serdang, Selangor, Malaysia, 2016) Talk at 2016 IEEE 6th International Conference on Photonics (ICP 2016) [14] M Hammouda, A M Vegni, J Peissig, and M Biagi, “Resource allocation in a multi-color ds-ocdma vlc cellular architecture,” Opt Express 26(5), 5940–5961 (2018) [15] D Chen, J Wang, J Jin, H Lu, and L Feng, “A cdma system implementation with dimming control for visible light communication,” Opt Commun 412, 172–177 (2018) [16] T Komine and M Nakagawa, “Fundamental analysis for visible-light communication system using led lights,” IEEE Transactions on Consumer Electron 50(1), 100–107 (2004) [17] X Wang and K Kitayama, “Analysis of beat noise in coherent and incoherent time-spreading ocdma,” J Lightwave Technol 22(10), 2226–2235 (2004) ... CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG -*** - NGUYỄN XUÂN SƠN PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG VLC TRONG NHÀ DỰA TRÊN CƠNG NGHỆ CDMA Chun ngành: Kỹ thuật viễn thơng Mã số: 8.52.02.08 LUẬN VĂN THẠC... thống CDMA quang 41 2.3.4.1 Nhiễu thu 41 2.3.4.2 Nhiễu đa truy nhập 41 iv 2.4 Kết luận chương 42 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG VLC DỰA TRÊN... thống OCDMA chiều (1D OCDMA), hệ thống OCDMA hai chiều (2D OCDMA) hệ thống OCDMA ba chiều (3D OCDMA) Nếu phân cực đưa vào mã hóa, ta đạt hệ thống bốn chiều (4D OCDMA) Nếu phân loại hệ thống OCDMA