Nội dung chính của luận văn là phân tích và đánh giá hiệu năng mạng VLC trong nhà dựa trên công nghệ CDMA. Để hiểu rõ hơn, mời các bạn tham khảo chi tiết nội dung luận văn này.
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 Chuyên ngành : KỸ THUẬT VIỄN THƠNG Mã số : 8.52.02.08 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2021 Luậ n vă n đ ợ c hoà n nh tạ i: HỌC VIỆ N CƠNG NGHỆ BƯU CHÍ NH VIỄ N THƠNG Luận văn hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Ngư i hư ng dẫ n khoa họ c: PGS.TS PHẠ M VĂ N CƯỜNG Người hướng dẫn khoa học: TS PHẠM THỊ THÚY HIỀN Phả n biệ n 1: ………………………………………………………………………… Phản biện PGS.TS.NGUYỄN THÚY Phả n biệ n 2:1:…… ……………………………… …………ANH ……………………… Phản biện 2: PGS.TS.NGUYỄN NAM HOÀNG Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông Vào lúc: ngày tháng năm 2020 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông MỞ ĐẦU VLC (visible light communication) công nghệ truyền thông sử dụng nguồn ánh sáng nhìn thấy để truyền thơng liệu thơng qua mơi trường khơng khí VLC có nhiều ưu điểm băng thơng lớn, tốc độ cao, chi phí thấp tính bảo mật cao truyền thơng sóng ánh sáng nhìn thấy tập trung khu vực định, đâm xuyên qua vật thể nên khó để thu nhập hay thám tín hiệu thơng tin Tuy nhiên, số kịch thực tế nhà tòa nhà văn phòng, mạng VLC cần thiết kế để hỗ trợ cho nhiều người dùng Một số kỹ thuật đa truy nhập xem xét cho mạng VLC nhiều người dùng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA), kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao (NOMA), kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA) kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) So với kỹ thuật đa truy nhập thông thường khác, CDMA có nhiều ưu điểm, bao gồm dung lượng mạng linh hoạt, quản lý chất lượng dịch vụ lớp vật lý khả bảo mật vốn có Xuất phát từ thực tế trên, em chọn đề tài “Phân tích đánh giá hiệu mạng VLC nhà dựa công nghệ CDMA” Bố cục luận văn gồm chương: Chương I: “Tổng quan truyền thơng ánh sáng nhìn thấy” Chương II: “Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã CDMA” Chương III: “Phân tích đánh giá hiệu mạng VLC dựa kỹ thuật CDMA” Do hiểu biết hạn chế nên luận văn chắn khơng tránh khỏi nhiều thiếu sót Em mong nhận góp ý thầy để luận văn hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Khoa Điện tử-Viễn thông, trường Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng giúp đỡ em suốt q trình học tập Em xin cảm ơn TS.Phạm Thị Thúy Hiền hướng dẫn em trình thực hoàn thành luận văn 2 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 Truyền thơng ánh sáng nhìn thấy – VLC tên đưa cho hệ thống thông tin không dây mang thông tin cách điều chế phổ ánh sáng nhìn thấy (400-700nm), dải phổ sử dụng cho việc chiếu sáng Các tín hiệu truyền thơng tin mã hóa ánh sáng chiếu sáng 1.1.2 Lịch sử phát triển công nghệ VLC Nhiều năm trước, thấy có nghiên cứu VLC ý tưởng sử dụng LED cho việc chiếu sáng (illumination) truyền tin (data communications) Động lực cho cơng nghệ bao gồm việc chiếu sáng chất bán dẫn (solid-state lighting) ngày phổ biến, tuổi đời dài LED có độ sáng cao so với nguồn ánh sáng nhân tạo khác đèn dây tóc, tốc độ băng thơng/dữ liệu cao, bảo mật dự liệu, an toàn sức khỏe, tiết kiệm lượng Khái niệm VLC phương thức truyền thông tin đời tư năm 1870 Alexander Granham Bell mô tả thành công truyền dẫn tín hiệu âm sử dụng gương tạo để dao động âm người 1.1.3 Đặc điểm công nghệ VLC Dung lượng - Băng thơng lớn: Phổ tần sóng ánh sáng nhìn thấy ước tính lớn gấp 10000 lần so với phổ sóng vơ tuyến hồn tồn miễn phí sử dụng - Mật độ liệu: Công nghệ VLC đạt mật độ liệu gấp 1000 lần so với WIFI ánh sáng nhìn thấy không xuyên qua vật cản nên tập trung khơng gian, sóng vơ tuyến có xu hướng ngồi gây nhiễu - Tốc độ cao: cơng nghệ VLC đạt tốc độ cao nhờ vào nhiễu thấp, băng thông lớn cường độ chiếu sáng lớn đầu 3 - Dễ dàng quản lý: việc quản lý trở nên dễ dàng không gian chiếu sáng giới hạn, ánh sáng nhìn thấy nên dễ dàng quản lý so với sóng vơ tuyến Hiệu - Chi phí thấp: Cơng nghệ VLC u cầu thành phần so với cơng nghệ sử dụng sóng vơ tuyến - Sử dụng đèn LED để chiếu sáng có hiệu cao: tiêu thụ lượng thấp, hiệu chiếu sáng, giá thành tương đối rẻ độ bền cao - Truyền thông nước: Việc truyền thông tin nước sóng vơ tuyến khó khăn, cơng nghệ VLC thực việc dễ dàng An tồn - An toàn sức khỏe người - Việc truyền dẫn sóng ánh sáng khơng gây nhiễu máy bay, khơng gây nhiễu với máy móc sử dụng bệnh viện Không gây hại với sức khỏe người Bảo mật - Vì truyền thơng sóng ánh sáng tập trung khu vực định, đâm xuyên qua vật thể nên khó để thu thập hay thám tín hiệu thơng tin - Khơng cần phương pháp bảo mật phức tạp, ánh sáng nhìn thấy nên việc quản lý truyền dẫn thơng tin vô dễ dàng - Công nghệ VLC phù hợp cho ứng dụng yêu cầu đường xuống tốc độ cao, cần đường lên với tốc độ thấp như: download video, audio, duyệt Web… Qua đó, ta giải vấn đề tải mạng truyền thông tin không dây 1.2 Cấu trúc hệ thống VLC 1.2.1 Mơ hình hệ thống Một hệ thống VLC bao gồm thành phần chính: Hệ thống phát, kênh truyền hệ thống thu 1.2.2 Phía phát Các thành phần phía phát VLC thiết bị phát bán dẫn ánh sáng nhìn thấy, LED Laser bán dẫn, phụ thuộc vào ứng dụng, mạch điều chỉnh độ sáng (dimming control) mạch điều khiển LED (điều chế) Cả laser LED sử dụng cho truyền liệu, thành phần phát VLC phải hoạt động đồng thời máy phát liệu thiết bị chiếu sáng thời điểm LED ưu tiên sử dụng Trong phần sau, LED phân loại thấy LED ánh sáng trắng sử dụng cho chiếu sáng cho truyền dẫn liệu 1.2.3 Kênh truyền Trong thông tin liên lạc, kênh truyền kết nối phía phát phía thu, đặc trưng khả truyền tín hiệu sóng mang bị ảnh hưởng nhiều yếu tố tạp âm, nhiễu…Trong công nghệ VLC, kênh truyền phần kết nối đèn LED Photodetector Có loại kênh hệ thống VLC là: VLC đơn kênh liên quan đến đèn LED Photodetector VLC đa kênh phát làm từ đèn LED nhiều màu thu Photodetector tạo thành từ nhiều máy dò, máy nhạy cảm với màu từ phát 1.2.4 Phía thu Thành phần phía thu hệ thống VLC tách sóng quang (Photodetector) Ngồi phía thu hệ thống cịn có thêm thành phần: Bộ tập trung quang (Concentrator), lọc quang (Optical Filter), mạch khuếch đại (Amplifier) giải điều chế 1.2.5 Các phương pháp điều chế sử dụng VLC Phương pháp điều chế khóa bật tắt ON/OFF keying (OOK) Phương pháp điều chế khóa bật tắt OOK phương pháp điều chế phổ biến hệ thống truyền dẫn không dây sử dụng tia hồng ngoại Phương pháp gọi mã hóa non-return-to-zero ON/OFF Keying (NRZ-OOK) Điều chế khóa bật tắt NRZ-OOK phương pháp điều chế hai mức, bao gồm hai ký hiệu tương ứng với mức công suất 2p Phương pháp điều chế vị trí xung biến đổi Phương pháp điều chế vị trí xung biến đổi (Variable Pulse Position Modulation- VPM) phương pháp điều chế hơn, phương pháp cung cấp chức VLC là: Không gây nhấp nháy, điều chỉnh độ sáng cung cấp độ sáng đầy đủ VPM kết hợp hai phương pháp điều chế là: Điều chế vị trí xung (2 Pulse Position Modulation- 2PPM) cung cấp chức không gây nhấp nháy điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation- PWM) cấp chức điều khiển độ sáng Phương pháp điều chế khóa dịch màu (Color-Shift Keying) Như ta biết, ánh sáng trắng phát từ đèn LED tạo theo hai cách Cách thứ sử dụng LED đơn chip xanh phủ Phosphor, nhiên lớp Phosphor làm chậm trình đáp ứng đèn LED Phương pháp khắc phục nhược điểm sử dụng LED RGB, loại LED này, dùng phương pháp điều chế khóa dịch màu Color-Shift Keying (CSK) Phương pháp điều chế CSK xem gần tương đồng với phương pháp điều chế khóa dịch tần (Frequency-Shift Keying- FSK) chỗ đoạn bit điều chế với màu sắc (bước sóng) phát 1.3 Ứng dụng VLC sống VLC có nhiều ứng dụng sống như: truyền thông tốc độ cao giải trí nhà thơng minh, văn phịng thơng minh, giải trí xe hơi, truyền thơng phương tiện thơng minh (vehicle to vehicle) truy nhập thông tin thành phố thông minh, mua sắm trực tuyến thông minh Hàng không Các hành khách khơng sử dụng sóng vơ tuyến máy bay Các ánh sáng dựa LED sử dụng khoang máy bay ánh sáng máy phát tiềm VLC để cung cấp việc chiếu sáng dịch vụ đa phương tiện cho hành khách Thêm vào đó, giảm giá thành trọng lượng Giao thông thông minh Trong hệ thống giao thông thông minh, công nghệ VLC đề xuất phương tiện cung cấp việc truyền tin phương tiện thiết lập kết nối phương tiện với hệ thống hạ tầng giao thông đèn tín hiệu giao thơng bảng báo hiệu Hệ thống cung cấp kết nối không dây khoảng cách từ ngắn đến trung bình chiều hay hai chiều Hệ thống sử dụng đèn pha đèn sau ô tô máy phát, camera thu máy thu Các đèn giao thông phần máy phát phạm vi Truyền thông nước VLC hỗ trợ đường truyền tốc độ liệu cao nước, nơi mà cơng nghệ sóng vơ tuyến khơng thể hoạt động Do đó, truyền thơng thợ lặn phương tiện Các môi trường đặc thù Ở bệnh viện, có nhiều thiết bị có xu hướng gây can nhiễu với sóng vơ tuyến, sử dụng VLC có nhiều lợi ích lĩnh vực Mặt khác, công nghệ giúp cho bác sĩ truy cập cập nhập liệu bệnh nhân sử dụng máy tính bảng bên cạnh bệnh nhân thay sử dụng văn giấy tờ bên cạnh bệnh nhân văn phòng Ứng dụng khác thiết bị sử dụng để theo dõi tình trạng bệnh nhân liệu cần thiết từ xa Hoặc môi trường làm việc nhạy cảm với sóng vơ tuyến hầm mỏ, dầu khí… việc truyền thơng trở nên khó khăn, VLC cơng nghệ an tồn cung cấp chiếu sáng truyền thông thời điểm Định vị dẫn đường Định vị dẫn đường toán phổ biến ứng dụng thiết bị di động robot Ví dụ siêu thị sử dụng công nghệ chiếu sáng kết hợp với công nghệ VLC giúp người tiêu dùng dễ dàng kết hợp với internet, họ cịn dịnh vị để tìm mặt hàng cần tìm 7 Ứng dụng nhà xưởng thông minh IoT VLC ứng dụng để xây dựng nhà xưởng thông minh thông qua việc: kết nối thành phần thiết bị hệ thống IoT, thực thi truyền tin mệnh lệnh phận quản lý với phận nhân lực sản xuất xưởng, thực giám sát lao động, chấm công lao động, giám sát quy trình sản xuất, giám sát chất lượng sản phẩm thơng qua kết nối IoT truyền thông tốc độ kết nối cao sử dụng hạ tầng kỹ thuật VLC 1.4 Kết luận chương Chương trình bày khái quát hệ thống truyền thơng ánh sáng nhìn thấy với đặc điểm quan trọng, thành phần cụ thể ứng dụng công nghệ Đồng thời chương đầu phân tích giải thích động lực triển khai hệ thống VLC đưa lý nghiên cứu ứng dụng VLC truyền thông tin 8 CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH VÀ ĐẶC TÍNH HỆ THỐNG TRUYỀN ÂM THANH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VLC 2.1 Nguyên lý kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) Trong hệ thống CDMA, người dùng gán cho chuỗi mã xác định, tất người dùng sử dụng chung khoảng băng tần khoảng thời gian Do CDMA dựa nguyên lý trải phổ, trạm phát sử dụng chuỗi trải phổ giả ngẫu nhiên tác động vào tín hiệu tin tức Khi máy thu nhận tín hiệu từ nhiều trạm phát khác nhau, lấy tín hiệu mong muốn cách giải mã tín hiệu chuỗi mã riêng tín hiệu Phía bên máy thu cần nhận tín hiệu từ phía người dùng A, tiến hành chuỗi mã riêng cho A để giải mã Khi đó, tín hiệu từ người dùng khơng mong muốn (B,C) trở thành tín hiệu gây nhiễu với tín hiệu A Khi đó, tín hiệu A thu cách dễ dàng 2.2 Kỹ thuật trải phổ Một hệ thống thông tin xem trải phổ thỏa điều kiện + Băng thơng tín hiệu trải phổ lớn nhiều so với băng thơng tín hiệu thơng tin + Mã dùng để trải phổ độc lập với tín hiệu thơng tin Ưu điểm kỹ thuật thông tin trải phổ + Khả đa truy cập Đồng ý cho người dùng hoạt động dải tần, giải thời gian nhiên máy thu tách tín hiệu để thu Bởi người cấp mã trải phổ riêng biệt Máy thu nhận tín hiệu từ người dùng giải mã tách tín hiệu mong muốn + Tính bảo mật thơng tin cao Đối với mức nhiễu nền, mật độ phổ công suất thấp Bởi máy thu không hệ thống khó phát tín hiệu truyền môi trường nhiễu Chỉ sử dụng máy thu phù hợp với quy luật chuỗi giả ngẫu nhiên thu tin tức đưa + Bảo vệ chống nhiễu đa đường Nhiễu đa đường sinh phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ tín hiệu.Tín hiệu từ tất đường truyền tín hiệu phát bị giảm biên độ, bị trễ với tín hiệu truyền thẳng Do đó, tín hiệu thu sai lệch, khơng giống tín hiệu từ phía phát Chính kỹ thuật trải phổ sử dụng để tránh nhiều đa đường để thu tín hiệu tốt 2.2.1 Trải phổ chuỗi trực tiếp Tín hiệu truyền biểu diễn dạng lưỡng cực, sau nhân trực tiếp với chuỗi giả ngẫu nhiên Ở máy thu, tín hiệu thu nhân với chuỗi trải phổ lần để tạo lại tín hiệu tin tức Tín hiệu cần truyền d(t), có dạng NRZ với d(t) = ±1, tốc độ bit fb Thực nhân d(t) với chuỗi giả ngẫu nhiên c(t) có tốc độ bit fc với fc >> fb Như vậy: 𝑐(𝑡), 𝑑(𝑡)𝑐(𝑡) = { 𝑑(𝑡) = +1 −𝑐(𝑡), 𝑑(𝑡) (2.1) Vì tốc độ bit fc chuỗi giả ngẫu nhiên lớn nhiều so với tốc độ bit f b chuỗi tín hiệu truyền đi, nên tín hiệu d(t) bị chia nhỏ với tần số cao Tần số gọi tốc độ chip Sau đó, chuỗi tích số d(t).c(t) điều chế BPSK QPSK Giả sử ta dùng điều chế BPSK, tín hiệu sau điều chế có biểu thức: V DS SS ( t ) Trong đó: PS d ( t ) c ( t ) cosw t (2.2) PS công suất phát [W] wo tần số sóng mang [rad/s] 2.2.2 Trải phổ nhảy tần số Kỹ thuật FH – SS phát triển dựa điều chế BFSK Trong đó, tần số sóng mang thay đổi liên tục theo quy luật giả ngẫu nhiên (dựa chuỗi mã ngẫu nhiên sử dụng), nhờ mà phổ tín hiệu FH – SS trải rộng trục tần số Thật vậy, ứng với tần số sóng mang, dải tần số tín hiệu BFSK B, với tín hiệu FH – SS dùng L (L = 2N-1, với N chiều dài chuỗi mã) trạng thái nhảy tần, phổ tần tín hiệu FH – SS trải rộng đến BFH = B x L 10 2.2.3 Trải phổ nhảy thời gian Trục thời gian chia thành khung (frame) Mỗi khung lại chia thành k khe thời gian (slot) Trong khung, tùy theo mã user mà sử dụng k khe thời gian khung Tín hiệu truyền khe có tốc độ gấp k lần so với tín hiệu truyền tồn khung tần số cần thiết để truyền tăng gấp k lần 2.3 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã quang OCDMA kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo mã quang, từ mã quang cung cấp để người dùng truy nhập vào mạng không thay vào khe thời gian.OCDMA khiến độ truyền dẫn nâng cao, tính linh hoạt để giúp người sử dụng tính bảo mật trở nên hồn thiện OCDMA công nghệ tiềm cho phép thay công nghệ mạng truy nhập quang 2.3.1 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã quang Đối với công nghệ OCDMA, người dùng sử dụng tài nguyên mạng theo hình thức gán người mã thay sử dụng khe thời gian TDMA WDMA Chính vậy, tài ngun bước sóng, xảy lúc tiếp cận người dùng OCDMA thực ghép kênh chuyển mạch xen/rẽ tín hiệu đa kênh qua mạng đường trục mạng đô thị (MAN), kết hợp TDM WDM thơng qua mã hóa giải mã tín hiệu quang trực tiếp 2.3.2 Các hệ thống CDMA quang Nếu phân loại dựa vào khác biệt phương pháp mã hóa tín hiệu quang, ta chia thành ba loại hệ thống OCDMA: - Hệ thống OCDMA mã hóa miền thời gian, bao gồm hệ thống trải phổ truyền thống hệ thống mã hóa pha theo thời gian - Hệ thống OCDMA mã hóa miền tần số, bao gồm bước mã hóa pha phổ (SPE) hệ thống mã hóa biên độ phổ (SEA) - Hệ thống OCDMA mã hóa lai ghép sử dụng kết hợp phương thức mã hóa nêu Ví dụ có mã hóa 2-D cách kết hợp mã hóa miền thời gian miền bước sóng, hệ thống OCDMA trải thời gian/nhảy bước sóng 11 (WH/TS) Nếu mã hóa theo khơng gian kết hợp với thời gian bước sóng ta có mã hóa khơng gian/ thời gian/bước sóng Nếu xếp chúng theo số lượng tài ngun (thờigian, khơng gian, bước sóng) sử dụng, ta chia thành hệ 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 theo số lượng bước sóng sử dụng để mã hóa, chúng chia thành hệ thống OCDMA đơn bước sóng hệ thống OCDMA đa bước sóng 2.3.3 Mã sử dụng hệ thống CDMA quang Mã OCDMA phải tuân theo nguyên tắc, là: - Để khởi tạo mã cần có tham số đầu vào, đầu trình tạo mã tập từ mã đôi khác - Một từ mã chuyển đổi sang từ mã khác phép dịch - Các từ mã mã dễ dàng phân biệt với Nếu xét theo lý thuyết mã hóa loại mã cần có tính chất sau: - Tất mã mã phải có giá trị tự tương quan đạt đỉnh giá trị tương quan từ mã với phiên dịch giảm theo độ dịch từ mã - Hàm tương quan chéo từ mã tất từ mã khác mã thấp nhiều so với giá trị tự tương quan 2.3.3.1 Mã nguyên tố 1D Quá trình tạo mã nguyên tố 1D dựa phép tốn tốn học đại số: phép tính đồng dư Vì mã nguyên tố 1D coi mã thuộc lớp mã tuyến tính đồng dư Ý tưởng để tạo nên mã đồng dư sau Đầu tiên, chọn lấy số nguyên tố р , từ р ta tạo nhóm chuỗi từ mã 𝑦↓ 𝑖(𝑗) | ≤ 𝑖, 𝑗 ≤ р − , cách sử dụng toán tử đồng dư trường toán học Ga-loa số р GF(р ) Sau đó, dựa theo thuật toán cụ thể mà ánh xạ chuỗi mã thành chuỗi mã nhị phân giá trị 𝑦𝑖 (𝑗) có ý 12 nghĩa là: chip ‘1’ vị trí thứ j từ mã thứ i Phép tốn lấy đồng dư thường sử dụng định nghĩa sau: 𝑦𝑖 (𝑗; 𝑎, 𝑏) = {𝑖(𝑎𝑗 + 𝑏)} 𝐦𝐨𝐝𝑝 (2.4) với a b số Khi a=1 b=0 tương ứng với chuỗi mã nguyên tố tạo 2.3.3.2 Mã nguyên tố 2D WH/TS Mã nguyên tố hai chiều trải thời gian/nhảy bước sóng - 2D WH/TS đời nhằm giải vấn đề hạn chế số lượng mã mà mã nguyên tố 1D để lại Số lượng mã nguyên tố 1D số nguyên tố p khởi tạo số lượng người dùng tăng đồng nghĩa với việc chuỗi trải phổ phải dài, từ dẫn đến hiệu truyền dẫn giảm xuống đáng kể, làm trầm trọng thêm MAI Việc sử dụng mã 2D WH/TS kiểm chứng khơng hỗ trợ nhiều người dùng mã 1D mà cải thiện hiệu hệ thống, đơn giản hóa việc điều khiển quản lý, rút ngắn trình xử lý giá thành phần cứng triển khai Ta gọi số nguyên tố sinh chuỗi trải thời gian ps số nguyên tố sinh chuỗi nhảy bước sóng ph Để minh họa đơn giản trình, giả sử số nguyên tố ps = ph = p sử dụng chung cho hai trình sinh mã Từ số nguyên tố này, chuỗi mã tạo ra, nguyên tắc tạo giống phần Error! Reference source not found Với 𝑝 = 5, chuỗi nguyên tố Si tạo là: 𝑆0 = (0 0 𝟎), 𝑆1 = (0 𝟒) , 𝑆2 = (0 𝟑) , S3 = (0 2) S4 = (0 1) Tiếp đến đặt chuỗi mã 𝐻↓ | 𝑖 = 1,2,3,4 sau: 𝐻1 = (0 𝟒) , H2 = (0 3), H3 = (0 2) H4 = (0 1) Chuỗi mã Si chuỗi mã trải thời gian chuỗi mã Hi chuỗi mã trải bước sóng Ở cần ý chuỗi mã Hi vị trí bit ‘1’ số bước sóng chuỗi nhảy bước sóng, mà chuỗi mã Ho chứa tồn ‘0’ khơng sử dụng khơng có nghĩa kết hợp với chuỗi mã trải thời gian 2.3.4 Nhiễu hệ thống CDMA quang 2.3.4.1 Nhiễu thu Trong thu có hai loại nhiễu nhiễu lượng tử nhiễu nhiệt Nguyên nhân gây thăng giáng dịng tách quang thu hai loại nhiễu cơng suất tín hiệu thu (Pin) không đổi 13 Bản chất nhiễu lượng tử dòng điện tách quang tạo từ dòng chuyển động điện tử mà điện tử lại tạo cách ngẫu nhiên theo thời gian Về mặt toán học, thăng giáng dòng điện nhiễu lượng tử gây tiến tronh Poison dừng, xấp xỉ thống kê Gauss 2.3.4.2 Nhiễu đa truy nhập Nhiễu đa truy nhập (MAI) nguồn nhiễu hệ thống OCDMA, nguyên nhân gây suy giảm chất lượng hệ thống MAI gây người sử dụng hoạt động đồng thời mạng, xung MAI xung quang xuất đồng thời có bước sóng với xung mong muốn Mức độ ảnh hưởng MAI định hai tham số chính: (1) số lượng người dùng hoạt động mạng (2) giá trị tương quan chéo giữ chuỗi mã phân bổ cho người dùng mạng Để giảm bớt ảnh hưởng MAI, loại mã có giá trị tương quan chéo nhỏ thường sử dụng Điều đồng nghĩa với việc cần chuỗi mã có độ dài lớn, ví dụ mã nguyên tố Giải pháp thứ hai sử dụng phương thức điều chế vị trí xung PPM Tuy nhiên, hai giải pháp nêu dẫn tới làm hẹp độ rộng xung quang hệ thống bị ảnh hưởng mạnh tán sắc 2.3.5 Kết luận chương Chương tìm hiểu nguyên lý CDMA, ba kỹ thuật trải phổ là: trải phổ chuỗi trực tiếp, trải phổ nhảy tần số, trải phổ nhảy thời gian, tìm hiểu kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (OCDMA), cách phân loại hệ thống OCDMA loại mã hay sử dụng hệ thống CDMA quang 14 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG VLC DỰA TRÊN KỸ THUẬT CDMA 3.1 Giới thiệu chung Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào phân tích hiệu hệ thống VLC dựa OCDMA sử dụng loại mã quang khác Theo đó, phân tích hiệu tính đến tác động can thiệp nhiều người dùng điều chỉnh thuộc tính mã Tuy nhiên, để đánh giá tính khả thi mạng VLC đa người dùng sử dụng OCDMA cần phải khảo sát kịch thực tế Trong mơ hình kênh VLC, tham số thu phát VLC giao thức truyền hai chiều xem xét cụ thể Dựa thiếu sót tồn đọng nghiên cứu này, mục tiêu chương đề xuất kiến trúc cho mạng VLC nhà hỗ trợ truyền hai chiều cho nhiều người dùng phịng Cụ thể hơn, tóm tắt đóng góp sau: Đề xuất kiến trúc mạng VLC hỗ trợ việc trao đổi liệu người dùng phịng thể Hình 3.1 Trong trường hợp có thêm trường hợp khơng có kết nối tầm nhìn (LOS) người dùng đến vật cản Để giải trường hợp này, đề xuất sử dụng phối hợp gắn trần nhà, đóng vai trị nút chuyển tiếp nhận tín hiệu từ người dùng sau chuyển tiếp đến người dùng khác Để kết nối mạng với Internet, nút cổng kết nối với phối hợp để giải mã tín hiệu từ nhiều người dùng sau chuyển tiếp chúng đến Internet ngược lại Thực thiết kế giao thức cung cấp truyền dẫn bán song công hai chiều dựa mã hóa mạng tương tự (ANC) hỗ trợ nhiều người dùng với trợ giúp OCDMA Sơ đồ truyền thống song công hai chiều thông thường cần bốn khe thời gian để trao đổi gói hai người dùng ANC yêu cầu hai khe thời gian Nhờ việc giảm khe thời gian cần thiết, mạng VLC đề xuất đạt thông lượng lớn 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 VLC, tác động tạp âm nhiễu Các biểu thức tốn học thu 15 sử dụng để khảo sát hiệu suất mạng so với tham số lớp vật lý khác để đánh giá tính khả thi mạng VLC 3.2 Mạng mơ hình kênh 3.2.1 Mã hóa mạng tương tự Mã hóa mạng tương tự mã hóa mạng tín hiệu vật lý mang thông tin từ nhiều nguồn Về mặt lý thuyết, ANC chứng minh ANC gấp đôi dung lượng mạng chuyển tiếp hai chiều tắc [15] Trong chuyển tiếp hai chiều thơng thường trình bày Hình 3.2 (a), cần bốn khe thời gian để chuyển hai gói tin bAB bBA nút A nút B qua nút chuyển tiếp R Trong Hình 3.2 (b), mã hóa mạng kỹ thuật số (DNC) yêu cầu ba khe thời gian để chuyển bAB bBA DNC dựa chuyển tiếp giải mã chuyển tiếp, nút chuyển tiếp phát bR = bAB ⊕ bBA đến nút A nút B Với mã hóa mạng tương tự hiển thị Hình 3.2 (c), cần hai khe thời gian nhờ sử dụng chuyển tiếp khuếch đại chuyển tiếp Cụ thể hơn, khe thời gian đầu tiên, nút A nút B truyền tín hiệu chúng, sAB sBA, tới nút chuyển tiếp Tín hiệu nhận nút chuyển tiếp, tức là, yR = sAB + sBA, khuếch đại phát tới nút A nút B khe thời gian thứ hai Nút A trích xuất sBA = yR – sAB (tương tự cho B) 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) 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) 16 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 phân tích, hệ (𝑈) 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 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 ), (3.9) 17 𝐼(0) = ℜ𝑃𝑀𝑈𝐼 , (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 (𝑅) ký hiệu 𝑃(𝑅) Tổng công suất MUI viết 𝑃𝑀𝑈𝐼 = 𝑙𝜆𝑃𝑘 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 nhận cách xác người ̅ 𝑐 Ω ̅ 𝑑 biểu thị kiện bổ sung Do dùng #𝑐 người dùng #d Ngoài ra, Ω ̅ 𝑥 ) xác suất biến cố Ω𝑥 Ω ̅ 𝑐 , 𝑥 𝜖 {𝑐, 𝑑 } Trao đó, có 𝑃(Ω𝑥 ) 𝑃 (Ω đổi gói người dùng #𝑐 người dùng #𝑑 xảy hai khe thời gian, tức 2𝑇𝑠 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 18 Khu vực máy dị Chiết suất thấu kính tách sóng quang A = cm2 N = 1.5 Nửa công 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 Độ lợi điện áp vịng hở Gol = 10pF/cm2 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 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 19 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 phòng (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 công 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 nhiễu đặt cách tâm điểm phòng 0,5 m Có thể thấy cơng suất phát u 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 công suất quang phát người dùng c với K= người dùng 20 Với giả định điều khiển cơng 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 µW Khi công 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 thông lượng mạng Tuy nhiên, K lớn, MUI gây gia tăng BER, dẫn đến tăng xác suất lỗi gói làm giảm thông 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 21 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 phịng 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, 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 (𝑇) chọn cho BER liên kết ngưỡng Với 𝑃𝑐,𝑑 = 290 mW, Φ1/2 = 70◦ BER =10−6 , Ψ𝑐 phải nằm khoảng 58,5𝜊 64𝜊 22 (𝑻) Hình 3.8 Tỉ lệ lỗi bít theo góc nhìn với 𝚿𝒄 với 𝛟𝟏⁄ = 𝟕𝟎°, 𝑷𝒄,𝒅 = 𝟐𝟗𝟎 mW K = người 𝟐 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 cơng suất quang truyền yêu cầu, số lượng người dùng hỗ trợ thông số phù hợp thu phát VLC nửa cơng suất bán góc FOV 23 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 thơng 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 tốn 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 ... 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 cơng nghệ CDMA Từ thực đánh giá khả áp dụng giải pháp CDMA vào hệ thống VLC thơng... 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... chia theo mã (OCDMA), cách phân loại hệ thống OCDMA loại mã hay sử dụng hệ thống CDMA quang 14 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG VLC DỰA TRÊN KỸ THUẬT CDMA 3.1 Giới thiệu chung Các