Các mô hình mã hóa nhằm nâng cao hiệu năng cho hệ thống OCC

B GIÁO D C VÀ ÀO T O TR NG I H C QUY NH N NGUY N TH H I CÁC MƠ HÌNH MÃ HĨA NH M NÂNG CAO HI U N NG CHO H TH NG OCC LU N V N TH C S K THU T VI N THƠNG Bình nh – N m 2021 B GIÁO D C VÀ ÀO T O TR NG I H C QUY NH N NGUY N TH H I CÁC MƠ HÌNH MÃ HĨA NH M NÂNG CAO HI U N NG CHO H TH NG OCC Chuyên ngành : K thu t vi n thông Mã s : 8520208 Ng ih ng d n: TS NGUY N DUY THÔNG L I CAM OAN Tôi xin cam oan lu n v n t t nghi p v i tài “C c mô h nh m h a nh m nâng cao hi u n ng cho h th ng OCC”, công tr nh nghiên c u khoa h c c a riêng tôi, Thông Các s li u ngu n h p ph p c th c hi n d is h ng d n c a Ti n s Nguy n Duy c s d ng lu n v n trung th c, có trính d n t ng tin c y, k t qu t c xác trung th c B nh nh, ngày 22 th ng n m 2021 Tác gi lu n v n Nguy n Th H i M CL C L I CAM OAN i DANH M C CÁC T VI T T T iv DANH M C B NG BI U vi DANH M C HÌNH V vii L I NÓI CH U NG 1: T NG QUAN V H TH NG TRUY N THÔNG QUANG KHÔNG DÂY 1.1 Gi i thi u 1.2 L ch s tình hình nghiên c u hi n t i 11 1.3 Vi n c nh ng d ng t ng lai cho OWC 15 1.4 K t lu n 21 CH NG 2: CÁC THÔNG S LIÊN QUAN VÀ CÁC V N TRONG H TH NG OCC 22 2.1 C ch tr p cu n v n kho ng cách gi a khung hình (IFG) 22 2.2 Hi n t ng nh p nháy - Flicker 26 2.3 Mã s a l i (Error correction codes) 27 2.4 T c d li u dài gói tin 27 2.5 Hi u ng Blooming, ng ng ROI (Region-of-Interest) 29 2.6 Kho ng cách truy n 31 2.7 Các thông s khác nh h ng n hi u su t c a OCC 31 2.8 K t lu n 32 CH NG 3: CÁC PH NG PHÁP MÃ HÓA NH M NÂNG CAO HI U N NG C A H TH NG OCC 33 3.1 K t h p m Hamming ph 3.1.1 tv n ng ph p xen k (Interleaving) 33 33 3.1.2 Mơ hình k t h p mã Hamming Interleaving 34 3.1.3 C u trúc c a gói d li u 36 3.1.4 Kích th c gói, IFG phân tích t c d li u 37 3.1.5 Quá trình gi i mã 39 3.1.6 Hi u su t c a h th ng 40 3.1.7 Th o lu n 45 3.2 i u ch CP N-PAM nh m nâng cao t c d li u cho OCC 46 3.2.1 tv n 3.2.2 xu t i u ch CP 4-PAM cho h th ng OCC 46 3.2.3 Hi n t 3.2.4 V n 46 ng nh p nháy 50 bão hòa 51 3.2.5 Xây d ng c u trúc gói d li u 54 3.2.6 Phân tích k t qu c a h th ng 61 3.3 K t lu n 66 CH NG 4: H TH NG GHÉP VLC/OCC CHO CÁC D CH V H I T C A TRUY N THÔNG ÁNH SÁNG KH KI N 67 4.1 tv n 67 4.2 H th ng ghép VLC/OCC 68 4.3 ánh giá t c d li u hi u su t 71 4.4 K t qu th nghi m 73 4.5 K t lu n 79 K T LU N VÀ H NG PHÁT TRI N 81 TÀI LI U THAM KH O 83 DANH M C CÁC T T vi t t t VI T T T Ti ng Anh Ti ng Vi t 5G Fifth Generation Th h di Ab Asynchronous bit Bit AWGN Additive White Gaussian Nhi u tr ng Gauss ng th ng b Noise BER Bit Error Rate T l l i bit BSN Bit Sequence Number Bit th t CCD Charge Coupled Device Linh ki n tích i n kép CER Character Error Rate T l l i kí t CMOS Complementary Metal Oxide Bán d n kim lo i Oxit b Semiconductor sung ECC Error Correction Code Mã s a l i FOV Field of View Ph m vi quan sát FSO Free Space Optical H th ng quang không gian t IFG Inter Frame Gap Kho ng gi a hai khung IoT Internet of Thing Internet v n v t IR Infrared Sóng h ng ngo i IP Internet Protocol Giao th c Internet IS Image Sensor C m bi n hình nh LED Light Emitting Diode LDPC Low Density Parity Check i- t phát quang Mã ki m tra m t th p code MAC Media Access Control i u n truy c p truy n ng M2M Machine to Machine Giao ti p gi a máy v i máy OCC Optical Camera Truy n thơng quang camera Communication OOK On-Off Keying Khóa B t-T t OWC Optical Wireless Truy n thông quang không Communication dây i u ch biên PAM Pulse Amplitude Modulation xung PER Packet Error Rate T l l i gói PD Photodetector C m bi n quang RF Radio Frequency T n s vô n SNR Signal Noise Ratio T l tín hi u nhi u SF Start Frame Bit kh i UVC Ultraviolet Communication Truy n thơng tia c c tím UWB Ultra Wideband Truy n thông b ng c c r ng VLC Visible Light Communication Truy n thông ánh sáng kh u khung ki n VPPM WCS WLAN Variable Pulse Possition i u ch v trí xung bi n Modulation i Wireless Communication H th ng truy n thông System không dây Wireless Local Access M ng c c b không dây Network WPAN Wireless Personal Access M ng truy c p cá nhân Network không dây DANH M C B NG BI U B ng 3-1: Hi u qu c a c c ph B ng 3-2: Các c p ng ph p m h a 35 c a CP 4-PAM 44 B ng 3-3: Hi u qu b ng thông gi a c c ph ng ph p i u ch hi n t i OCC so v i i u ch CP-PAM 46 B ng 3- 4: Các tham s thí nghi m CP 4-PAM c a OCC 61 DANH M C HÌNH V Hình 1- Ph ánh sáng nhìn th y Hình 1- Phân lo i OWC d a kho ng cách truy n 16 Hình 1- Công ngh LiFi 19 Hình 2- 1: Quá trình x lý khung li n k c a c m bi n CMOS (a) Tr h p lý t ng, (b) Tr ng ng h p th c t 23 Hình 2- 2: Th i gian cho m i khung hình m t giây 25 Hình 2- 3: S l ng bit b m t t i IFG v i t c Hình 2- 4: D li u b m t g i tin dài h n d li u khác 25 dài khung 28 Hình 2- 5: Hi u ng blooming c a c m bi n hình nh 30 Hình 3- 1: H th ng OCC xu t v i m Manchester ph ng ph p xen k 34 Hình 3- 2: M h a Hamming ph ng ph p xen k 35 Hình 3- 3: C u trúc gói tin c a OCC (a) G i tin trúc g i tin c c xu t [12] (b) C u xu t 36 Hình 3- 4: V trí c a SF m t khung (a) m t SF m t khung, (b) nhi u SF m t khung, (c) khơng có SF khung 38 Hình 3- 5: Hi u su t thơng tin h u ích c a h th ng xu t 39 Hình 3- 6: Quá trình gi i mã d li u b m t t i IFG 40 Hình 3- 7: X lý SF b m t t i IFG 40 Hình 3- 8: Hi u su t c a h th ng OCC xu t v i s l ng kh i Hamming m t gói khác 41 Hình 3- 9: Hi u su t BER c a h th ng OCC k t h p gi a mã Hamming ph ng ph p xen k 42 Hình 3- 10: nh gi hi u su t c a h th ng OCC theo t s BER, CER PER 43 Hình 3- 11: BER PER kho ng cách khác 44 Hình 3- 12: Chèn bit l i ng u nhiên mô ph ng AWGN 44 Hình 3- 13: Hi u su t c a OCC chèn thêm bit l i 45 Hình 3- 14: Khái ni m v OCC d a CP 4-PAM 47 Hình 3- 15: CP 4-PAM xu t (a) CP 4-PAM thông th ng, (b) CP 4-PAM 48 Hình 3- 16: Tính to n nh p nháy m t chu k 49 Hình 3- 17: Hình d ng xung c a tín hi u nh n c v i t c c a tr p khác 52 Hình 3- 18: V n v bão hòa h th ng OCC (a) T c nhanh, kho ng cách ng n, (b) T c c a tr p c a tr p ch m, kho ng cách ng n, (c) T c c a tr p ch m, kho ng cách xa 53 Hình 3- 19: M i quan h gi a t c c a tr p c ng ánh sáng nh n c 54 Hình 3- 20: Gói d li u OCC cho i u ch CP-4 PAM (a) G i tin [22], (b) G i tin xu t [12], (c) G i tin xu t xu t 55 Hình 3- 21: Quá trình gi i mã c a N-PAM (a) Toàn b d li u c a m t gói n m m t khung, (b) D li u SF b m t t i IFG, (c) Truy xu t bit b m t t i IFG 56 Hình 3- 22: M t gói (Pkt-2) dài h n dài khung cho i u ch CP-PAM OCC 58 Hình 3- 23: Quá trình gi i mã d li u 59 Hình 3- 24: Quá trình gi i m tr ng h p SF b m t t i IFG 60 Hình 3- 25: Hi u su t c a CP 4-PAM OCC v i dài chu i bit so sánh khác 60 75 s chênh l ch l n r ng c a tín hi u VLC l n, t ng ng v i tín hi u t n s th p (a) (b) (d) (c) Hình 4-7: Tín hi u OCC nh n c t i kho ng cách 3.2 m (a) Hình nh thu c t i IS, (b Tín hi u OCC nguyên b n, (c) Tín hi u OCC h th ng ghép t c , (d) Tín hi u OCC h th ng ghép t c Ph ng tr nh (4- 4) cho th y m i quan h gi a th i gian ph i s ng c a tín hi u VLC Trong ph chu kì ng tr nh này, gian ph i s ng c a m i dòng pixel, nh h n ho t ng t c d li u r t cao r t nhi u t ng ng v i th i h th ng VLC 76 te = ( n + r ) TVLC , n  ,  r  Sau , s dao (4-4) ng c a tín hi u OCC có VLC có th c tính nh công th c (4-5), nh H nh 4-7(c)-(d) I max = I H ( t ) ( 0.5n + r )TVLC , n + r T ( ) VLC I = I H ( t ) c ng I = I H ( t ) c (4-6) sáng c a èn LED không i u ch 0.5n , s bi n bi n i di n ng t i a c a tín hi u c tính nh cơng th c (4-6) Có th th y r ng s dao ng s gi m d n v i n l n, t c nh (4-5) r n+r cho mã hóa Manchester c a i u ch VLC OCC có th 0.5nT VLC ( n + r )TVLC ng ng v i t c ng có th b nh h sáng khác nhau, i n p cao c a tín hi u VLC Bên ng b i y u t nh th i gian ph i u vào c a èn LED ho c ánh sáng xung quanh Trong ph n ti p theo, hi u su t BER c a h th ng OCC h th ng ghép c th nghi m v i sáng khác nhau, nh th hi n Hình 4-8 K t qu ch r ng t l l i bit 10-4 có th nh n sáng 50% Tuy nhiên, v i mét, nh d c t i kho ng c ch lên n 5.8 mét sáng 80% kho ng cách b rút ng n xu ng cịn o n cơng th c (4-3) 77 Hình 4-8: Hi u su t c a OCC ghép v i c c T c 9, ng c a i u ch VLC sáng khác n hi u su t OCC hi u su t c a OCC h th ng ghép c ch Hình 4c so sánh v i h th ng OCC g c T i BER 10-4, kho ng cách truy n c a h th ng OCC g c h n mét, o h th ng OCC ghép kho ng mét Nguyên nhân c ng ánh sáng nh n c c a tín hi u OCC ghép b suy gi m i u ch c a tín hi u VLC, nh H nh 4-4 Bên c nh t c hi u su t cao h n so v i d li u VLC th p h n s gây s bi n ghép nh c cho c ch Hình 4-4 , h th ng OCC ghép v i T c ng cho tín hi u OCC h th ng 78 Hình 4-9: Hi u su t c a h th ng OCC ghép v i t c d li u khác c a h th ng VLC Trong Hình 4-10, hi u su t c a h th ng VLC ghép sáng khác Trong th nghi m này, c ol sáng c a h th ng ghép ng v i c i u n b i i u ch VPPM cho h th ng OCC ghép Trong Hình 4-8, hi u su t BER c a h th ng VLC ghép c c i thi n sáng c a h th ng OCC cao h n Hi u su t c a h th ng VLC ghép tr nên ti m c n so v i hi u su t c a h th ng VLC g c s ng t 80% tr nên kh kh n h n c xu ng d ng i u c cho vi c khôi ph c tín hi u ng ánh sáng trung bình nh n c b gi m i m c trung bình c a tín hi u VLC K t qu nhi u l i h n trình gi i mã 79 Hình 4-10: Hi u su t c a h th ng VLC v i sáng khác c a h th ng OCC ghép 4.5 K t lu n Trong ph n này, m t h th ng VLC/OCC k t h p c xu t cung c p ng d ng a d ng cho c PD c m bi n hình nh lúc v i chi phí th p ph c t p h n Trong h th ng này, i u ch VPPM ch OCC ghép, m h a Manchester Tín hi u VLC c g i tín hi u OCC nghi m cho th y r ng OCC theo cách kh c i u ng c s d ng cho h th ng VLC c truy n i sáng c a h th ng nh h c s d ng cho i u ng m c 'cao' K t qu th n hi u su t c a VLC sáng cao, hi u su t t t h n cho VLC, c l i không úng v i h th ng OCC ghép T c th ng VLC cao hi u su t c a h th ng OCC ghép VLC OCC nh h ng l n nhau, nên h th ng ghép VLC/OCC s d li u c a h c c i thi n Vì c thi t k nên xem xét nh ng m khuy t T i BER 10-4, kho ng cách truy n c a OCC 80 VLC 5.8 mét mét, t s cung c p d ch v cho ng d n i dùng b t k thi t b h c xu t ang s d ng i u n s d dàng vi c tri n khai h th ng truy n thông VLC, OCC mơi tr có ng ng H th ng ghép VLC/OCC ng nhà mà không làm ph c t p thêm h th ng chi u sáng hi n 81 K T LU N VÀ H NG PHÁT TRI N V i s phát tri n m nh m c a công ngh bán d n, s gia t ng s l thi t b thông minh v i c m bi n hình nh ti n ích c a ng d ng IoT t o c tích h p a chu ng ng l c cho s phát tri n c a công ngh VLC nói chung cơng ngh OCC nói riêng T c l n nh t vi c S d li u h n ch tr ng i a ng d ng c a OCC tr nên ph bi n C c ph mã hóa m i s gi i ph p ng ng ph p nâng cao hi u su t c a h th ng OCC Bên c nh , s d ng ph n c ng t t h n c ng gi i ph p nh ng c n cân nh c v chi phí Trong lu n v n này, t c tr nh bày: Các nghiên c u v công ngh truy n thông camera s d ng ánh sáng nhìn th y, nh ng u nh c i m c a h th ng c ng nh c c y u t t c n ng c a h th ng, qua a c c gi i ph p ng n hi u c i thi n hi u n ng c a h th ng Các mơ hình mã hóa nh m nâng cao hi u n ng c a h th ng, c i ti n ph ng ph p m h a thông th ng có th áp d ng h p lý cho h th ng OCC Mơ hình k t h p gi a hai h th ng VLC OCC th ng phát ng d ng c a hai công ngh làm c tri n khai n gi n hóa h ng th i m t v trí, m t h t ng tài có th phát tri n h n n a theo c c h - Thêm c c mô h nh m h a m t lúc v i vi c s (NOMA) có th ph c v d ng cơng ngh ng sau: ng th i cho nhi u thi t b a truy nh p phân chia tr c giao 82 - Ngày nay, thi t b i n tho i thơng minh u tích h p nhi u camera, vi c s d ng nhi u camera m t lúc có th c i thi n h n n a t c d li u c a h th ng th ng xu t s d ng mã s a l i m nh h n c i thi n hi u n ng c a h 83 TÀI LI U THAM KH O [1] Nguy n Y n Chi (2016), “Nghiên c u v công ngh truy n d n thông tin d i ánh sáng nhìn th y VLC ng d ng giao thông thông minh”, H Bách khoa Hà N i [2] Nguy n Ng c Tân (2014), “ nh v Robot s d ng công ngh truy n thơng ánh sáng nhìn th y k t h p v i b l c Kalman m r ng”, H Qu c gia Hà N i [3] Andrews, L.C., Philips, R.L (2005): Laser Beam Propagation Through Random Media SPIE, Bellingham, Washington [4] B Lin, Z Ghassemlooy, C Lin, X Tang, Y Li, and S Zhang (2017), “An Indoor Visible Light Positioning System Based on Optical Camera Communications,” IEEE Photonics Technol Lett [5] C Jia and B L Evans (2013), “Online calibration and synchronization of cellphone camera and gyroscope,” in 2013 IEEE Global Conference on Signal and Information Processing, GlobalSIP 2013 - Proceedings [6] C.-W Chow, C.-Y Chen, and S.-H Chen (2015), “Visible light communication using mobile-phone camera with data rate higher than frame rate,” Opt Express [7] Dhatchayeny, D.R., Sewaiwar, A., Tiwari, S.V., Chung, Y.H (2015): Experimental biomedical EEG signal transmission using VLC IEEE Sens J 15(10), 5386–5387 [8] Danakis, C., Afgani, M., Povey, G., Underwood, I., Haas, H (2012): Using a CMOS camera sensor for visible light communication In Proceedings of the IEEE Globecom Workshop on OWC 84 [9] Ghassemlooy, Z., Popoola, W.O., Rajbhandari, S (2012): Chapter Visible light Communications, Optical Wireless Communications—System and Channel Modelling with Matlab CRC publisher,USA [10] Goodwin, E (1970): A review of operational laser communication systems Proc IEEE 58(10), 1746–1752 [11] H.-W Chen, S.-S Wen, Y Liu, M Fu, Z.-C Weng, and M Zhang (2018), “Optical camera communication for mobile payments using an LED panel light,” Appl Opt [12] IEEE 802.15.7 (2018) - Standard for short-range wireless optical communication using visible light [13] IEEE 802.15.6 (2012) - standard for local and metropolitan area networks—part 15.6: wireless body area network https://standards.ieee.org/findstds/standard/802.15.6-2012.htm [14] J Fang et al (2017), “An efficient flicker-Free FEC coding scheme for dimmable visible light communication based on polar codes,” IEEE Photonics J [15] Khalighi, M.A., Uysal, M (2014): Survey on free space optical communication: a com-munication theory perspective IEEE Commun Surv Tutor 16(8), 2231–2258 [16] M S Islim et al (2017), “Towards 10 Gb/s orthogonal frequency division98 multiplexing-based visible light communication using a GaN violet micro-LED,” Photonics Res [17] Osseiran, A., Boccardi, F., Braun, V., Kusume, K., Marsch, P., Maternia, M., Queseth, O., Schellmann, M., Schotten, H., Taoka, H., Tullberg, H., Uusitalo, M., Timus, B., Fallgren, M (2014): Scenarios for 5G mobile 85 and wireless communications: the vision of the METIS project, IEEE Commun Mag 52(5), 26–35 [18] Roberts, R.E., Selby, J.E.A., Biberman, L.M (1976): Infrared continuum absorption by atmospheric water vapor in the 8–12 µm window Appl Opt 15, 2085–2090 [19] R D Roberts (2013), “Undersampled frequency shift ON-OFF keying (UFSOOK) for camera communications (CamCom),” in Proceedings 2013 Wireless and Optical Communications Conference,WOCC 2013 [20] R W Hamming (1950), “Error Detecting and Error Correcting Codes,” Bell Syst Tech J [21] S Kim (2015), “Adaptive FEC Codes Suitable for Variable Dimming Values in Visible Light Communication,” IEEE Photonics Technol Lett [22] S Shao et al (2015), “An indoor hybrid WiFi-VLC internet access system,” in Proceedings - 11th IEEE International Conference on Mobile Ad Hoc and Sensor Systems, MASS 2014 [23] S Wu, H Wang, and C H Youn (2014), “Visible light communications for 5G wireless networking systems: From fixed to mobile communications,” IEEE Netw [24] T Nguyen, A Islam, T Hossan, and Y M Jang (2017), “Current status and performance analysis of optical camera communication technologies for 5G networks,” IEEE Access, vol 5, pp 4574–4594 [25] Tsukamoto, K., Hashimoto, A., Aburakawa, Y., Matsumoto, M (2009): The case for free space IEEE Microw Mag 10, 84–92 [26] Tsonev, D., Hyunchae, C., Rajbhandari, S., McKendry, J.J.D., Videv, S., Gu, E., Haji, M., Watson, S., Kelly, A.E., Faulkner, G., Dawson, M.D., 86 Haas, H., O’Brien, D (2014): A 3-Gb/s single-LED OFDM-based wireless VLC link using a gallium nitride µLED IEEE Photonics Technol Lett 26(7), 637–640 [27] T H Do and M Yoo (2016), “Performance analysis of visible light communication using CMOS sensors,” Sensors (Switzerland) [28] T Nguyen, C H Hong, N T Le, and Y M Jang (2015), “High-speed asynchronous Optical Camera Communication using LED and rolling shutter camera,” in International Conference on Ubiquitous and Future Networks, ICUFN [29] Y Yuan et al (2017), “SVM-based detection in visible light communications,” Optik (Stuttg)., vol 151, pp 55–64, Dec ... nh nh Do , c c ng d ng c a OCC th ng c t c Vi c trang b c c c m bi n h nh nh t t c th nâng cao t c chi phí cao h n lý lu n v n ch n nâng cao hi u n ng cho h th ng OCC? ?? V i d li u th p d li u,... mơ hình m h a nâng cao hi u n ng c a OCC - Nghiên c u h th ng lai VLC /OCC nh m d li u khác p ng cho h th ng có t c it ng, ph m vi nghiên c u - H th ng OCC - Mã hóa Hamming ph nâng cao t c - CP... th ng OCC nh m tìm gi i pháp nh m nâng cao hi u su t c a h th ng OCC 33 CH NG 3: CÁC PH NG PHÁP MÃ HÓA NH M NÂNG CAO HI U N NG C A H TH NG OCC Trong h th ng OCC, có ba v n ph i xem xét Th nh