Thuật toán phát hiện tín hiệu dựa trên phương pháp successive overrelaxation (SOR)

Vì bước sóng của ánh sáng nhìn thấy được là rất nhỏ (khoảng 400nm ∼ 700nm), và các ứng dụng trong nhà có thể cung cấp tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao (SNR), rất hứa hẹn sẽ áp dụng đa đầu ra đa đầu vào được thiết lập tốt (kỹ thuật MIMO) vào OWC trong nhà để đồng thời tăng hiệu suất phổ và hiệu suất năng lượng. Một trong những vấn đề thách thức còn lại để nhận ra hiệu suất phổ hấp dẫn của hệ thống MIMO quang là thuật toán phát hiện tín hiệu thực tế. Tương tự như hệ thống RF MIMO , bộ phát hiện tín hiệu tối ưu cho hệ thống MIMO quang sử dụng điều chế cường độ và phát hiện trực tiếp (IM / DD) là máy dò khả năng tối đa (ML), nhưng độ phức tạp của nó tăng theo cấp số nhân với số lượng mảng LED làm cho nó không thực tế đối với các hệ thống MIMO quang quy mô lớn. Để đạt được hiệu suất phát hiện ML tối ưu với giảm độ phức tạp, một số thuật toán phát hiện tín hiệu phi tuyến tính đã được đề xuất. Vì vậy đồ án 2 này sẽ tìm hiểu một thuật toán phát hiện tín hiệu dựa trên phương pháp successive overrelaxation (SOR) để giảm độ phức tạp tính toán mà không làm giảm hiệu suất. 1.2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Mục tiêu của đồ án là tìm hiểu mô hình hệ thống MIMO OWC quy mô lớn trong nhà. Đồng thời tìm hiểu về một thuật toán phát hiện tín hiệu dựa trên phương pháp successive overrelaxation (SOR) và phân tích hiệu suất của nó. Xây dựng mô hình và chương trình mô phỏng bằng Matlab nhằm nhận xét và đánh giá hiệu quả của thuật toán. Từ đồ án này có thể xây dựng thuật toán phát hiện tín hiệu với quy mô lớn, mô phỏng và đánh giá ưu, nhược điểm của thuật toán. Từ đó đưa ra những giải pháp khắc phục nhược điểm, phát triển ưu điểm và tối ưu của thuật toán. 1.3. NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN 1.3.1. Nhiệm vụ - Tìm hiểu đặc điểm của mô hình hệ thống MIMO OWC quy mô lớn trong nhà. - Tìm hiểu thuật toán phát hiện tín hiệu có độ phức tạp thấp và phân tích hiệu suất của nó. - Mô phỏng và đưa ra kết quả mô phỏng của tỉ số lỗi bit (BER) và tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR). Đánh giá hiệu suất của thuật toán.

MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT LED Light Emitting Diode Diode phát quang Li-Fi Light Fidelity Hệ thống thu phát tín hiệu nhà dùng ánh sáng khả kiến OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh theo tần số trực giao PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung RGB R: Red; G: Green; B: Blue Ba màu dãi màu mà mắt thường nhìn thấy TIA Transimpedance Amplifier Bộ khuếch đại tín hiệu áp thu từ Photodiode VLC Visible Light Communication Giao tiếp ánh sáng khả kiến LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Minh Thành trực tiếp hướng dẫn tận tình bảo giúp đỡ em suốt thời gian thực đồ án môn học Xin gửi lời cảm ơn đến tất quý thầy cô khoa Điện – Điện tử, giảng thầy cô trang bị kiến thức vững để em vận dụng thực đồ án môn học Chân thành cảm ơn Bộ mơn Máy tính - Viễn Thơng, Ban giám hiệu nhà trường tạo điều kiện tốt cho em tài liệu học tập trang thiết bị suốt thời gian học tập trường, q trình em thực đồ án Ngồi ra, thực đồ án này, em nhận nhiều giúp đỡ từ sinh viên khoa Điện – Điện tử khác Xin gửi lời cảm ơn đến bạn giúp đỡ trình làm đồ án Cuối cùng, lời cảm ơn chân thành sâu sắc nhất, em xin gửi đến gia đình, sát cánh động viên giai đoạn khó khăn TP Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2019 Trương Hoài Lâm Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 GIỚI THIỆU Truyền thông quang không dây (OWC) ứng viên tiềm cho truyền dẫn không dây nhà Kỹ thuật sử dụng sóng ánh sáng để truyền dẫn thơng tin thay cho sóng điện từ hạn chế băng thơng Do sóng ánh sáng xuyên qua vật cản nên không gây can nhiễu với hệ thống khác bảo mật cao Hệ thống OWC có ưu điểm thiết lập nhanh, tốc truyền cao so với công nghệ truyền thông không dây Bluetooth, WiFi, lại hoạt động dải băng tần không cấp phép (Gfeller and Bapst, 1979) Hơn nữa, việc sử dụng linh kiện đơn giản rẻ tiền với LED phía phát photodetector phía thu nên chúng ứng dụng thực tế dễ dàng Vì bước sóng ánh sáng nhìn thấy nhỏ (khoảng 400nm ∼ 700nm), ứng dụng nhà cung cấp tỷ lệ tín hiệu nhiễu cao (SNR), hứa hẹn áp dụng đa đầu đa đầu vào thiết lập tốt (kỹ thuật MIMO) vào OWC nhà để đồng thời tăng hiệu suất phổ hiệu suất lượng Một vấn đề thách thức lại để nhận hiệu suất phổ hấp dẫn hệ thống MIMO quang thuật tốn phát tín hiệu thực tế Tương tự hệ thống RF MIMO , phát tín hiệu tối ưu cho hệ thống MIMO quang sử dụng điều chế cường độ phát trực tiếp (IM / DD) máy dò khả tối đa (ML), độ phức tạp tăng theo cấp số nhân với số lượng mảng LED làm cho không thực tế hệ thống MIMO quang quy mô lớn Để đạt hiệu suất phát ML tối ưu với giảm độ phức tạp, số thuật tốn phát tín hiệu phi tuyến tính đề xuất Vì đồ án tìm hiểu thuật tốn phát tín hiệu dựa phương pháp successive overrelaxation (SOR) để giảm độ phức tạp tính tốn mà khơng làm giảm hiệu suất 1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Mục tiêu đồ án tìm hiểu mơ hình hệ thống MIMO OWC quy mơ lớn nhà Đồng thời tìm hiểu thuật tốn phát tín hiệu dựa phương pháp successive overrelaxation (SOR) phân tích hiệu suất Xây dựng mơ hình chương trình mơ Matlab nhằm nhận xét đánh giá hiệu thuật tốn Từ đồ án xây dựng thuật tốn phát tín hiệu với quy mơ lớn, mô đánh giá ưu, nhược điểm thuật tốn Từ đưa giải pháp khắc phục nhược điểm, phát triển ưu điểm tối ưu thuật toán 1.3 NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN 1.3.1 Nhiệm vụ - Tìm hiểu đặc điểm mơ hình hệ thống MIMO OWC quy mơ lớn - nhà Tìm hiểu thuật tốn phát tín hiệu có độ phức tạp thấp phân tích - hiệu suất Mô đưa kết mô tỉ số lỗi bit (BER) tỉ số tín hiệu nhiễu (SNR) Đánh giá hiệu suất thuật toán 1.3.2 Giới hạn Đồ án tiến hành nghiên cứu thuật tốn phát tín hiệu dựa trên phương pháp successive overrelaxation (SOR) để giảm độ phức tạp tính tốn mà khơng làm giảm hiệu suất Trong mơ phỏng, đánh giá theo tỉ số lỗi bit (BER) tỉ số tín hiệu nhiễu (SNR) mơ hình 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp luận xuyên suốt luận văn kết hợp nghiên cứu lý thuyết mô để làm rõ nội dung đề tài Cụ thể sau: - Thu thập, phân tích tài liệu thơng tin liên quan đến đề tài - Tìm hiểu phân tích hệ thống MIMO OWC - Nghiên cứu thành phần, kỹ thuật thuật tốn phát tín hiệu dựa phương pháp successive overrelaxation (SOR) để giảm độ phức tạp tính tốn - mà khơng làm giảm hiệu suất Sử dụng phần mềm chuyên dụng (Matlab) để thực mô hệ thống MIMO OWC - Đánh giá kết thực dựa mô 1.5 BỐ CỤC ĐỀ TÀI Chương 1: Tổng quan Giới thiệu tổng quan sơ lược truyền thơng quang khơng dây (OWC) Sau nêu lên mục tiêu đề tài giới hạn đề tài Chương 2: Lý thuyết tổng quan Trình bày lý thuyết tổng quan, đặc điểm ứng dụng hệ thống truyền thông quang không dây Chương 3: Thiết kế hệ thống truyền liệu ánh sáng nhìn thấy VLC Trình bày yêu cầu chi tiết hệ thống đến thiết kế sơ đồ khối sơ đồ giải thuật hệ thống sau tìm hiểu chi tiết, thiết kế khôi Chương 4: Kết Kết đạt trình thực đề tài Nêu ưu điểm, nhược điểm đồ án Chương 5: Kết luận Đưa kết luận đề tài hướng phát triển ứng dụng đề tài đời sống Chương 2: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 2.1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THƠNG VƠ TUYẾN QUANG Truyền thơng vơ tuyến quang hình thức truyền tín hiệu quang qua mơi trường không gian tự mà không cần đến cáp sợi quang Có thể phân biệt ba loại hệ thống truyền thông quang vô tuyến tùy thuộc vào phổ điện từ xạ quang hay gọi băng tần sóng mang: ánh sáng nhìn thấy (VLC), tia hồng ngoại tia tử ngoại (UVC) Các hệ thống truyền thông vô tuyến quang hoạt động băng tần ánh sáng nhìn thấy (dải tần 400–800 THz ứng với bước sóng 390– 750 nm) tận dụng LED phát quang tốc độ cực cao mà không ảnh hưởng đáng kể đến mắt người Các hệ thống truyền thông quang vô tuyến hoạt động dải tần hồng ngoại gần (bước sóng 750 – 1600 nm), sử dụng phát lazer để thiết lập tuyến truyền điểm nối điểm mặt đất, gọi hệ thống truyền thông quang không gian tự (FSO) Các hệ thống truyền thông quang vô tuyến hoạt động dải tần tử ngoại (bước sóng 200 – 280 nm) nghiên cứu gần sau bước tiến khoa học vật liệu thể rắn dùng để chế tạo nguồn phát thu quang Hình 1: Phổ sóng điện từ Xét cự ly truyền dẫn, phân loại ứng dụng truyền thơng vơ tuyến quang sau: - Cự ly cực ngắn: sử dụng chip mạch vi điện tử Cự ly ngắn: mạng vùng (LAN, PAN) lõi vô tuyến, ứng dụng theo tiêu chuẩn IEEE 802.15.7, truyền thông nước - Cự ly trung bình: mạng diện rộng (WAN), mạng truyền thơng bên tịa nhà, mạng điều khiển giao thông xe hạ tầng giao thông - Cự ly dài: truyền thơng tịa nhà - Cự ly cực dài: truyền thông vệ tinh Như trình bày chương 1, cơng nghệ VLC ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực triển khai mơi trường nhà ngồi trời Đối với mơ hình nhà, mơ hình truyền dẫn sau : Hình 3.1: Mơ hình truyền dẫn VLC nhà Với liên kết đầu cuối khác nhau, ứng dụng triển khai dịch vụ khác ứng với tốc độ truyền dẫn khác truyền liệu, chia sẻ nội dung, truyền video, định vị, điều khiển Cụ thể số loại dịch vụ tương ứng đưa bảng sau: Bảng 3.1: Các ứng dụng với môi trƣờng nhà 2.2 MIMO QUANG TRONG NHÀ Để đạt tốc độ truyền dẫn liệu cao hơn, sử dụng phương pháp truyền dẫn liệu song song từ nhiều LED Phương pháp gọi hệ thống đa đầu vào đa đầu (MIMO) Trong hầu hết ứng dụng chiếu sáng nay, nhiều LED sử dụng để cung cấp cường độ chiếu sáng cần thiết Điều đem lại khả truyền dẫn liệu khác thiết bị nhóm nguồn phát khác Do đó, cần có dãy máy thu thiết kế phía thu để thu nhận liệu, thiết kế hình thành nên hệ thống MIMO Các kỹ thuật MIMO vơ tuyến áp dụng vào hệ thống truyền dẫn quang để giải phóng yêu cầu thẳng hàng dãy máy thu máy phát Hình mnmn: Mơ hình hệ thống MIMO Kênh truyền anten máy phát (Tx) anten máy thu (Rx) mơ tả hình vẽ gọi kênh Nhiều đầu vào-Nhiều đầu (MIMO) Một hệ thống truyền dẫn kênh truyền MIMO gọi hệ thống truyền dẫn MIMO Trong trường hợp đặc biệt N = M = 1, tương ứng có hệ thống phân tập thu SIMO phát MISO Kỹ thuật MIMO nhìn chung có ưu điểm như: (i) Tăng độ lợi mảng: làm tăng tỉ số tín hiệu nhiễu, từ làm tăng khoảng cách truyền dẫn mà không cần tăng công suất phát; (ii) Tăng độ lợi phân tập: làm giảm tượng fading thông qua việc sử dụng hệ thống anten phân tập, nâng cao chất lượng hệ thống, (iii) Tăng hiệu phổ: cách sử dụng ghép kênh không gian; (iv) Tăng dung lượng kênh (so với dùng phát – thu) mà không cần tăng công suất phát băng thông Việc áp dụng MIMO vào VLC chủ yếu chủ yếu nhằm lợi dụng tính phân tập khơng gian việc thu-phát đa đường làm tăng hiệu hoạt động hệ thống VLC nhà vùng phủ, công suất số tham số hiệu SNR BER Phân tập không gian phương pháp sử dụng rộng rãi thông tin vô tuyến Phương pháp sử dụng nhiều anten máy thu, máy phát phía máy thu máy phát để tạo nên nhánh phân tập không gin khác Khoảng cách cần thiết anten tối thiểu nửa bước sóng (λ/2) gian phát, tương tự có phân tập khơng gian thu sử dụng nhiều anten thu Trường hợp sử dụng nhiều anten máy phát máy thu có tập hợp kênh truyền với nhiều đầu vào nhiều đầu MIMO Mơ hình MIMO sử dụng nhiều thiết bị phát (LED) nhiều thiết bị thu nhằm cải thiện tốc độ đáp ứng yêu cầu hệ thống Công nghệ MIMO hỗ trợ nâng cao đáng kể tầm hoạt động thông lượng mạng, sử dụng phổ tần số hiệu Do đó, MIMO đóng vai trị quan trọng hệ thống mạng khơng dây 2.3 MƠ HÌNH KÊNH TRUYỀN HỆ THỐNG MIMO QUANG Do đèn LED sử dụng với mục đích chiếu sáng đồng thời với truyền thông, nên giá trị cường độ sáng công suất phát quang cần xem xét đến Cường độ sáng sử dụng để thể độ sáng đèn LED; công suất phát quang sử dụng để mô tả lượng xạ từ LED [14] Cường độ sáng coi quang thơng đơn vị góc rắn tính bằng: 10 I= φ Với quang thơng Ω dφ dΩ góc khơng gian φe φ tính qua thơng sau: 780 φ = ∫ V (λ )φe (λ )d λ 380 V (λ ) Với Km tiêu chuẩn sáng giá trị sáng tối đa ~ 6831 m/W bước sóng 55nm Cơng suất quang truyền cho bởi: Với độ nhạy tối đa tối thiểu photodiode Hình 3.3 mơ tả mơi trường VLC nhà điển hình Giả sử đèn LED tn theo mơ hình xạ Lambertian, cường độ xạ mặt bàn tính bởi: Với φ góc tạo phương xạ so với trục thằng đứng, I(0) mật độ sáng trung tâm ml hệ số Lambertian xác định 11 Với Φ 1/2 góc nửa độ sáng LED Mật độ sáng công suất thu điểm mặt phẳng thu tính bởi: Hình …: Mơi trƣờng VLC nhà Độ lợi tập trung quang phía thu xác định Với n hệ số phản xạ 12 Trên thực tế ψcon thường khác ψcon FOV tập trung quang phía thu Hiện nay, nghiên cứu hệ thống VLC nhà hướng tới mơ hình đa đèn LED hình 3.4 Ở đây, LED xem điểm sáng mơ hình xạ LED mơ tả thơng qua hàm góc rắn Với tất đèn LED bật, phân bố độ sáng mặt phẳng thu tính thơng qua góc rắn Θ là: Hình 3.4: Mơ hình đa LED Việc sử dụng hệ thống đa đèn LED cho ứng dụng VLC nhà bắt nguồn từ lý sau : (i) hầu hết phòng sử dụng nhiều nguồn sáng để đảm bảo mức độ sáng đủ (ii) đáp ứng phân tập không gian Đây tiền đề cho áp dụng công nghệ MIMO vào VLC 2.4 NHIỄU TRONG VLC 13 Các loại nhiễu VLC gồm hai loại: nhiễu nhiệt (Thermal Noise) nhiễu nổ (Shot Noise) 2.4.1 Nhiễu nhiệt Là dịng điện khơng mong muốn gây tác động chuyển động nhiệt hạt mang điện Nguồn gây nhiễu nhiệt hệ thống VLC yếu tố tiền khuếch đại phía thu gây Nhiễu nhiệt tạo độc lập với tín hiệu thu mơ hình hóa theo phân bố Gaussian 2.4.2 Nhiễu nổ Là loại nhiễu hệ thống VLC, nguồn gây nhiễu nổ gồm có nguồn nhiễu tự nhiên (mặt trời) nhân tạo (đèn huỳnh quang, đèn sợi đốt, …), nguồn nhiễu tạo xạ Bức xạ gây dòng liên tục diode tách quang tính chất ngẫu nhiên q trình tách quang hình thành nhiễu nổ Một thành phần gây nhiễu nổ dịng tối ngược chiều nhỏ qua tải khơng có ánh sáng tới tách quang Nguyên nhân gây nhiệt lớp tiếp giáp khiếm khuyết bề mặt Chương 3: VẤN ĐỀ CHÍNH CỦA ĐỀ TÀI 3.1 YÊU CẦU CHI TIẾT CỦA ĐỀ TÀI 14 Tiến hành thực mơ hình hệ thống MIMO OWC, cơng thức tính tốn hệ thống MIMO OWC, mơ đánh giá thuật tốn phát tín hiệu dựa phương pháp successive overrelaxation (SOR) 3.2 MƠ HÌNH HỆ THỐNG Hình 3.1: Mơ hình hệ thống MIMO quang nhà với thấu kính hội tụ (lens) Hệ thống MIMO quang nhà IM/DD điển hình phịng có kích thước L × W × H, mảng LED Nt lắp đặt trần nhà ăng ten phát phát quang Nr sử dụng làm ăng ten thu Để đảm bảo tính đa dạng khơng gian kênh, thấu kính hội tụ sử dụng để chiếu hình ảnh mảng LED lên số lượng tách sóng quang lớn (Nr thường lớn Nt) Điều đáng ý kích thước MIMO quang nhà thường lớn để đạt tốc độ liệu hài lịng Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống MIMO quang nhà 15 Các bit truyền nối tiếp trước tiên chuyển thành luồng Nt biến đổi nối tiếp song song (S / P), sau truyền mảng LED Đặt s = [s1, · · ·, sNt] T biểu thị vectơ tín hiệu truyền có chứa bit truyền từ tất mảng LED Nt H biểu thị ma trận kênh MIMO quang Nr × Nt, sau vectơ tín hiệu nhận y = [y1, · · ·, yNr] T máy thu biểu diễn dạng: Trong n = [n1, · · ·, nNr] T vectơ nhiễu có thành phần nhiễu nhiệt so với nhiễu ánh sáng xung quanh, có phần tử độc lập phân phối xác sau phân phối N ( 0, σ 2) Đối với giao tiếp ánh sáng nhìn thấy nhà, báo cáo rộng rãi công suất thành phần khuếch tán gây phản xạ từ bề mặt phòng thấp nhiều so với thành phần tầm nhìn (LOS), máy thu nằm gần cạnh phịng [5], [19] Do đó, thơng thường thành phần LOS xem xét tài liệu [4], [5], [19] Trong phần tử chiếm quyền điều khiển ma trận kênh H hàng thứ i cột thứ j trình bày dạng [4], [18] (2) hi thể cơng suất chuẩn hóa ảnh chiếu từ dãy LED thứ i đến độ ống kính hình ảnh máy thu hình ảnh đặt vị trí cụ thể biểu thị bằng: (3) Trong Ki biểu thị số lượng đèn LED mảng thứ i ; trình bày thứ tự phát xạ Lambertian, φ /1 / nửa góc phát xạ đèn LED; AR trình bày khu vực vật lý máy thu hình ảnh; dik khoảng cách đèn LED thứ k mảng thứ i tâm ống kính hình ảnh; φik ψik biểu thị góc phát xạ tần suất; ψc trình bày chiều rộng tầm nhìn (FOV) Ts (ψik) hệ số khuếch đại lọc quang học đặt mà khơng tính tổng qt Cuối cùng, G (ψik) biểu thị mức tăng tập trung quang học, trình bày dạng: 16 (4) Trong n số khúc xạ vật liệu tập trung quang Thành phần khác aij Hij (2) trình bày tỷ lệ cơng suất nhận máy thu hình ảnh rơi vào tách sóng quang thứ j, trình bày dạng: (5) Trong Aij biểu thị diện tích hình ảnh mảng thứ i tách sóng quang thứ j Tại máy thu, sau thu ma trận kênh H đạt thông qua miền thời gian và/hoặc miền tần số Nhiệm vụ phát tín hiệu phục hồi vectơ tín hiệu truyền s từ vectơ tín hiệu thu y Để cân hiệu suất độ phức tạp, thuật toán phát tín hiệu tuyến tính MMSE cổ điển sử dụng rộng rãi cho hệ thống MIMO quang nhà lấy ước tính vectơ tín hiệu truyền đi: (6) Trong hiểu đầu lọc phù hợp tín hiệu nhận y ma trận lọc MMSE ký hiệu là: , (7) Trong ma trận Gram Độ phức tạp tính tốn nghịch đảo ma trận xác O () cao hệ thống MIMO quang quy mô lớn nhà thực tế Sau phát tín hiệu, bit truyền phục hồi sau chuyển đổi thành luồng nối tiếp chuyển đổi song song sang nối tiếp (P / S) 3.3 THUẬT TỐN PHÁT HIỆN TÍN HIỆU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP SOR Gần đây, thuật toán dựa Neumann đề xuất thuật tốn phát tín hiệu hiệu hệ thống MIMO quy mô lớn, chuyển đổi nghịch đảo ma trận phức tạp thành chuỗi phép nhân vectơ ma trận với 17 số lượng nhỏ để giảm phức tạp Thuật toán Neumannbase phát vectơ tín hiệu truyền (8) i = 0, 1, 2, · · · biểu thị số lần lặp, D, L thành phần đường chéo, thành phần tam giác thấp thành phần tam giác nghiêm ngặt tương ứng W , (9) Trong đó, (10) (11) Trong wi, j biểu thị phần tử W hàng thứ i cột thứ j Ma trận lặp thuật toán dựa Neumann trình bày = (L + ) = W - Thuật tốn dựa Neumann hội tụ Nr lớn nhiều so với Nt (ví dụ: Nr / Nt = 32 ) Tuy nhiên, hệ thống thực tế hơn, khơng thể hội tụ nhanh đạt mức giảm biên độ phức tạp Để giải vấn đề này, thuật tốn dựa SOR có độ linh hoạt thấp cách sử dụng tính chất đặc biệt mà ma trận lọc MMSE xác định dương đối xứng cho hệ thống MIMO quang nhà, chứng minh Bổ đề sau Bổ đề 1: Đối với hệ thống MIMO quang nhà sử dụng máy thu hình ảnh, ma trận lọc MMSE xác định dương đối xứng Chứng minh: Vì tất yếu tố ma trận kênh H có thật hệ thống MIMO quang IM / DD, nên chuyển vị ma trận chuyển vị liên hợp ma trận giống nhau, ví dụ: G = = Sau đó: (12) 18 ma trận lọc MMSE W đối xứng Trong đó, hệ thống MIMO quang nhà có máy thu hình ảnh, ma trận kênh H có thứ hạng cột đầy đủ , tức phương trình Hq = có giải pháp nhất, vectơ Nt × Do đó, vectơ có giá trị thực khác Nt × 1, ln có r >0, (13) W xác định dương Xem xét (12) (13), kết luận ma trận lọc MMSE W = G + (7) xác định dương đối xứng Thuộc tính đặc biệt mà ma trận lọc MMSE W cho hệ thống MIMO quang nhà xác định dương đối xứng truyền cảm hứng cho khai thác phương pháp SOR để giải hiệu (6) với độ phức tạp thấp Phương pháp SOR sử dụng để giải phương trình tuyến tính N chiều Ax = b, A ma trận xác định dương đối xứng N × N, x vectơ giải pháp N × b vectơ đo lường N × Khơng giống phương pháp truyền thống tính trực tiếp A − 1b để thu x, phương pháp SOR giải hiệu phương trình tuyến tính Ax = b theo cách lặp mà không cần đảo ngược ma trận phức tạp Do ma trận lọc MMSE W xác định dương đối xứng cho hệ thống MIMO quang nhà chứng minh Bổ đề sử dụng phương pháp SOR để ước tính vectơ tín hiệu truyền (14) định nghĩa D, L LT giống (9), γ đại diện cho tham số thư giãn, đóng vai trị quan trọng hội tụ tốc độ hội tụ tương ứng, sˆ (0) biểu thị giải pháp ban đầu, thường đặt vectơ khơng Nt × mà khơng tính tổng qt khơng có thơng tin tiên nghiệm giải pháp cuối Giải pháp ban đầu không ảnh hưởng đến hội tụ thuật tốn Do đó, độ xác cuối không bị ảnh hưởng giải pháp ban đầu số lần lặp i tương đối lớn 19 Chương 4: KẾT QUẢ 4.1 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN PROTEUS Hình 4.1: Mạch mơ phần cứng Hình 4.2: Kết mô Theo kết mô ta thấy đường màu xanh dương tín hiệu vào đường màu xanh tín hiệu khơi phục lại sau truyền có dạng sóng sin gần giống 4.2 PHẦN CỨNG THỰC TẾ 20 Hình 4.3: Khối mạch phát Hình 4.4: Khối mạch thu 4.3 KẾT QUẢ THỰC TẾ https://www.youtube.com/watch?v=7QS1KW5EZFg 21 Chương 5: KẾT LUẬN 4.1 KẾT LUẬN Đồ án tiến hành tìm hiểu lý thuyết truyền thơng ánh sáng nhìn thấy (VLC - Visible light communication), giới thiệu sơ lược sơ đồ khối nguyên lý hoạt động VLC trình bày số ứng dụng hệ thống VLC Đồ án thực mô hệ thống truyền thơng ánh sáng nhìn thấy Từ thực mạch VLC thực tế với phát sử dụng LED Green thu sử dung Photodiode Vì giới hạn phần cứng, đáp ứng chậm Photodiode nên hệ thống VLC làm đạt tốc độ tối đa 5.5kbps với khoảng cách xa 50cm Do thời gian hạn chế số giới hạn phần cứng, đồ án tập trung đáp ứng yêu cầu nguyên lý, tức mạch vừa chiếu sáng vừa phát tín hiệu chưa sâu vào việc tăng tốc độ khoảng cách truyền ứng dụng 4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Với phát triển nay, người có nhiều cách để truyền tín hiệu khơng gian tự do, số loại điển hình như: điều khiển từ xa dùng hồng ngoại, sử dụng sóng điện từ để thu phát tín hiệu, sử dụng sóng siêu âm để truyền tín hiệu nước, ngày đại tiện lợi Vậy hệ thống VLC có cần thiết hay khơng? Câu trả lời có Tại chiếu sáng nhu cầu tất yếu sống, gia đình cần chiều sáng nhà, hội cho VLC VLC tận dụng thiết bị chiếu sáng có sẵn để xây dựng hệ thống truyền tín hiệu ánh sáng khả kiến với chi phí thấp Ngồi sống đại sức khỏe người trọng, có tranh cãi xunh quanh tác sóng điện từ VLC giúp xua tan vấn đề đó, VLC sử dụng nguồn phát ánh sáng khả kiến nên người hoàn toàn cảm nhận cường độ cơng suất nguồn phát mà có hành động cho phù hợp, tất nhiên khơng cịn nỗi lo tác hại sóng điện từ Trong đồ án này, tạm dừng việc thiết kế hệ thống VLC PIC18F4550 nên nhiều hạn chế việc nâng tốc độ khoảng truyền tín hiệu 22 Tuy nhiên hướng phát triển VLC vô rộng mở, tóm tắt ngắn gọn số hướng sau: - Ghép kênh: thay sử dụng LED màu để truyền tín hiệu cho hệ thống VLC, ta không sử dụng LED RGB sử dụng kỹ thuật ghép kênh - OFDM để tăng tốc độ truyền lên gấp ba lần Nâng cấp phần cứng: RS-232 với tốc độ chậm ảnh hưởng nhiều đến tốc độ truyền nhận liệu, nên sử dụng chuẩn USB Việc thay đổi vi điều khiển khuyến khích sử dụng để nâng tốc độ xử lý liệu, từ tăng tốc độ truyền nhận liệu Nâng cấp thêm Photodiode để có thu nhạy đáp ứng tốt - Ứng dụng camera điện thoại thiết bị thu để giảm chi phí, tăng tính tiện dụng cho hệ thống VLC - Tích hợp phát vào hệ thống chiếu sáng LED thông dụng đèn bàn, đèn trần 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO Martin P Bates, "Programming 8-bit PIC Microcontrollers in C - with Interactive Hardware Simulation", Newnes Shinichiro Haruyama, “Advances in Visible Light Communication Technologies”, Keio University T Komine , Y Tanaka , S Haruyama and M Nakagawa "Basic Study on Visible-Light Communication using Light Emitting Diode Illumination", Proc of 8th International Symposium on Microwave and Optical Technology (ISMOT 2001), pp.45 -48 2001 S Iwasaki, C Premachadra, T.Endo, T Fujii, M Tanimoto and Y Kimura, “Visible Light Road-to-Vehicle Communication Using High-Speed Camera”, in IEEE Intelligent Vehicles Symposium, pages 13-18, 6/2008 O'Brien, D ; Dept of Eng Sci., Univ of Oxford, Oxford, UK,” High speed optical wireless demonstrators in the OMEGA project: Summary and conclusions”,in Network and Optical Communications (NOC), 2013 18th European Conference on and Optical Cabling and Infrastructure (OC&i), 2013 8th Conference on, pp.159-162, 10-12 July 2013 Dong Suwon P.O Box 105, 416 Maetan-3dong, Yeongtong-gu, Suwon-si, Gyeonggi-do, 443-742 Korea, Wellington Square, Oxford, OX12JD, United Kingdom,” Visible Light Communication : Tutorial” in IEEE P802.15 Working Group for Wireless Personal Area Networks (WPANs), March 2008 Y Tanaka, T Komine, S Haruyama and M Nakagawa "Indoor Visible Light Transmission System Utilizing White LED Lights", IEICE Trans, on Communications, vol E86-B, no 8, pp.2440 -2454 2003 Funahashi, A ; Dept of Electr Eng & Comput Sci., Nagoya Univ., Nagoya, Japan ; Kobayashi, K ; Okada, H ; Katayama, M.,” i-LightHouse: A Visible Light Communication system for the visually impaired”, in Personal Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC), 2011 IEEE 22nd International Symposium on, pp 1026 – 1030 , 11-14 Sept 2011 Jelena Vučić, Christoph Kottke, Stefan Nerreter, Klaus-Dieter Langer, and Joachim W Walewski, "513 Mbit/s Visible Light Communications Link Based on DMT-Modulation of a White LED," J Lightwave Technol 28, 3512-3518 (2010) 24 10 Zeng, Lubin, O'Brien, Dominic, Le Minh, Hoa, Lee, Kyungwoo, Jung, Daekwang and Oh, YunJe (2008) Improvement of date rate by using equalization in an indoor Visible Light Communication system In: 2008 4th IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communications IEEE, Piscataway, pp 678-682 ISBN 978-1424417070 25 ... Để đạt hiệu suất phát ML tối ưu với giảm độ phức tạp, số thuật tốn phát tín hiệu phi tuyến tính đề xuất Vì đồ án tìm hiểu thuật tốn phát tín hiệu dựa phương pháp successive overrelaxation (SOR). .. phức tạp tính tốn mà khơng làm giảm hiệu suất 1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Mục tiêu đồ án tìm hiểu mơ hình hệ thống MIMO OWC quy mơ lớn nhà Đồng thời tìm hiểu thuật tốn phát tín hiệu dựa phương pháp successive. .. thuật tốn phát tín hiệu dựa trên phương pháp successive overrelaxation (SOR) để giảm độ phức tạp tính tốn mà khơng làm giảm hiệu suất Trong mơ phỏng, đánh giá theo tỉ số lỗi bit (BER) tỉ số tín