Xác định vùng truyền thông và hiệu năng hệ thống sử dùng đèn giao thông thông minh

z HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - - “ Xác định vùng truyền thông truyền thơng ánh sáng nhìn thấy giao thông thông minh.” Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Tùng Hoa Sinh viên thực hiện:     Lê Trung Hiếu - B18DCVT150 - D18CQVT06-B Vũ Trung Nghĩa - B18DCVT311 - D18CQVT07-B Vũ Thị Thanh Tú – B18DCVT372 – D18CQVT04-B Đỗ Thị Lan Hương – B18DCVT220 – D18CQVT04-B HÀ NỘI-2021 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Chương 1: Tổng quan truyền thơng ánh sáng nhìn thấy .6 1.1 Giới thiệu công nghệ truyền thơng ánh sáng nhìn thấy VLC 1.2 Những ưu điểm công nghệ VLC Chương : Truyền thơng ánh sáng nhìn thấy giao thông thông minh 2.1 Giới thiệu 2.2 Tích hợp VLC vào hệ thống ITS 2.3 Mơ hình tham chiếu kiến trúc hệ thống VLC hệ thống ITS 10 2.3.2 Phía phát thu VLC ITS 13 2.3.3 Kênh truyền VLC ITS 14 Chương 3: Xác định vùng truyền thông hiệu hệ thống sử dùng đèn giao thông thông minh 15 3.1 LED chiếu sáng đường 15 3.2 Tầm nhìn xa đèn giao thông 16 3.3 Cường độ chiếu sáng, đồng phân bố 16 3.4 Yêu cầu cường độ chiếu sáng cho đèn giao thơng dựa LED 18 3.5 Mơ hình hệ thống .18 3.6 Phân tích hiệu 21 3.7 Các kết tính tốn 23 3.8 Kết luận .26 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Phổ ánh sáng nhìn thấy Hình 2.1: Tích hợp VLC vào kiến trúc ITS 11 Hình 2.2: Kiến trúc mơ hình tham chiếu VLC 12 Hình 2.3: Mơ hình kênh truyền LOS NLOS 14 Hình 3.1 Mơ hình LED chiếu sáng đèn đường 15 Hình 3.1: Mơ hình đường 20 Hình 3.2: SNR sơ đồ điều chế khác 23 Hình 3.3: Thơng lượng khác 25 Hình 3.4: Thơng lượng thứ với góc nghiêng khác 25 Hình 3.5: BER khác 26 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT BER DC ETSI FOV HPA I2V ICT IEEE IF IM/D D IR ISO ISP ITS LDT LED Bit Error Rate Direct Current European Telecommunications Standards Institute Field of View Half Power Angle Infrastructure-to-Vehicle Information and Communication Technology Institute of Electrical and Electronic Engineers Intermediate Frequency Intensity Modulation/Direct Detection Infrared International Standard Organization Internet Service Provider Intelligent Transportation Systems Luminance Difference Threshold Light Emitting Diode Tỷ lệ lỗi bit Dòng điện chiều Viện Tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu Phạm vi quan sát Góc nửa cơng suất Cơ sở hạ tầng với xe Công nghệ Thông tin Truyền thông Viện kỹ nghệ Điện Điện tử Trung tần Điều chế cường độ / tách sóng trực tiếp Tia hồng ngoại Tổ chức tiêu chuẩn hóa Quốc tế Nhà cung cấp dịch vụ internet Hệ thống giao thông thông minh Ngưỡng chênh lệch độ chói Điốt phát quang LOS Line-of-Sight Tầm nhìn thẳng Điều khiển truy nhập mơi trường Khơng trở không MAC Media Access Control NRZ Non Return to Zero OOK On Off Keying OSI Open System Interconnection PD Photo Diode Khóa bật tắt Mơ hình tham chiếu kết nối hệ thống mở Điốt quang PER Packet Error Rate Tỷ lệ lỗi gói tin PHY Physical Layer Lớp vật lý PN Pseudo Noise Tạp âm giả PPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RSU Road Side Unit Trạm bên đường SNR UDP Signal-to-Noise Ratio Transmission Control Protocol User Datagram Protocol Tỷ số tín hiệu nhiễu Giao thức điều khiển truyền vận Giao thức liệu người dùng V2I Vehicle-to-Infrastructure Xe với sở hạ tầng V2V Vehicle-to-Vehicle VLC Visible Light Communication Xe với xe Truyền thông ánh sáng nhìn thấy TCP Chương 1: Tổng quan truyền thơng ánh sáng nhìn thấy 1.1 Giới thiệu cơng nghệ truyền thơng ánh sáng nhìn thấy VLC Có thực tế thời đại nay, an tồn giao thơng tham gia giao thơng cách hiệu vấn đề lớn mà người quan tâm Vì lý này, tổ chức khác phủ nghành cơng nghiệp hướng ý đến hệ thống giao thơng thơng minh (ITS) an tồn Những hệ thống này, cho mắt lần vào năm 1980, để góp phần xử lý vấn đề nói đến Tuy nhiên, để biên ITS thành thực, cần đóng góp nhiều cơng nghệ tân tiến khác mà điển hình truyền thơng ánh sáng nhìn thấy (VLC) Nó đánh giá chìa khóa cơng nghệ đầy tiềm qua trình truyền liệu cho ITS Cũng giống tần số vô tuyến RF, VLC hay truyền thơng ánh sáng nhìn thấy phương tiện truyền liệu không dây Tuy nhiên, nhờ sử dụng ánh sáng, VLC cung cấp nhiều ưu bật đặt cạnh công nghệ truyền thông RF Có thể thấy rõ ràng gần tần số vô tuyến nằm quản lý tổ chức, nhà cấp ánh sáng nhìn thấy khơng cần đăng ký Do đó, theo góc độ kinh tế, hệ thống sử dụng VLC có mức chi phí thấp hệ thống sử dụng RF Thêm nữa, VLC sử dụng dải tần số mà mắt người nhìn thấy được, người ta lợi dụng điều để đạt hai mục đích chiếu sáng truyền liệu Một khía cạnh khác, với bước sóng nằm khoảng 380nm đến 780nm, VLC cung cấp băng thông truyền dẫn cao 1000 lần so với truyền thông vô tuyến thông thường Điều có nghĩa, phổ tần ánh sáng giúp hệ thống VLC dễ dàng tốc độ liệu cao Với tất lợi trên, VLC thu hút quan tâm nhà nghiên cứu cho ứng dụng nhà trời Hình 1.1: Phổ ánh sáng nhìn thấy Khả áp dụng VLC cho khơng giang bên ngồi vào việc truyền thống phương tiện giao thông phương tiện với hệ thống hỗ trợ dọc tuyến đường ý nhiều xu hướng hệ thống chiếu sáng việc tiển khai hiệu mặt tài Hiển nhiên ngày này, nghành công nghiệp chiếu sáng, nguồn sáng truyền thống dần theo bởi hệ thống đèn LED Với đặc tính kể đến bền bỉ, tính nhỏ gọn, tiêu thụ lượng, đèn LED mong đợi sớm trở thành nguồn chiếu sáng tương lai, ta thấy rõ ràng mức độ phổ biến ngày tăng đèn LED lĩnh vực cơng nghiệp tơ có mặt thường xuyên sở hạ tầng giao thơng nhưu đèn đường, biển báo giao thơng Vì lý này, thật khó khơng nói hệ thống chiếu sáng dựa vào LED gần chắn phần tối quan trọng hệ thống giao thông tương lại Kết hợp công nghệ VLC vào, đèn LED có thêm chức khác việc chiếu sáng đơn thuần, Trong VLC, liệu truyền cách bật tắt liên tục LED với tốc độ mà mắt người nhận Trong trường hợp nay, ta hồn sử dụng LED để đáp ứng việc chiếu sáng truyền thông lúc Thực tế, việc lợi dụng hệ thống LED chiếu sáng lắp đặt sẵn hai bên đường, việc triển khai áp dụng công nghệ VLC phức tạp mang điểm lợi nhiều hợn mặt tài 1.2 Những ưu điểm cơng nghệ VLC Ngồi ưu điểm vượt trội mặt tài chính, với việc sử dụng đèn LED ngày phổ biến phổ biến sau tạo cho VLC trở thành giải pháp thay hấp dẫn cho truyền thông tần số vơ tuyến (RF) Và theo đó, số ưu điểm VLC trình bày đây:  Dung lượng o 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 o Mật độ liệu: Cơng 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 o Tốc độ cao: Cơng nghệ VLC đạt tốc độ cao nhờ vào nhiễu thấp, băng thông lớn cường độ chiếu sáng lớn đầu o 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 o Chi phí thấp: Cơng nghệ VLC u cầu thành phần so với cơng nghệ sử dụng sóng vơ tuyến giá thành thành phần đơn giản rẻ o 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 o Truyền thông nước: Việc truyền thơng tin nước sóng vơ tuyến khó khăn, cơng nghệ VLC thực việc dễ dàng  An toàn o An toàn sức khỏe người o Việc truyền dẫn sóng ánh sáng khơng gây nhiễu lọai máy móc sử dụng sóng vơ tuyến Từ dó an tồn máy móc, đặc biệt máy bay máy móc bệnh viện  Bảo mật o 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 o 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 Chương : Truyền thông ánh sáng nhìn thấy giao thơng thơng minh 2.1 Giới thiệu Các hệ thống VLC có thể đóng một vai trị quan trọng trong ITS như là phương tiện  để phát thơng tin giao thơng quan trọng. Một số cấu hình có thể có: xe hơi - xe hơi (C2C)  sử dụng đèn hậu bảng điều khiển LED; và cơ sở hạ tầng đến xe hơi (I2C) theo cả hai hướ ng. VLC khơng chỉ phù hợp với một hệ thống phát sóng trong các hệ thống truyền thơng  I2C mà nó có thể có hiệu quả tương đương trong C2C.Trong ví dụ về kịch bản C2C, một  chiếc xe phía trước đèn giao thơng sẽ nhận được thơng tin và chuyển tiếp nó bằng đèn ph anh cho chiếc xe chạy phía sau. Sử dụng lý do này thậm chí có thể thiết lập một mạng ph ương tiện tùy biến.   Các RSU đèn giao thông dựa đèn LED phù hợp để phát thông tin hệ thống thông tin liên lạc sử dụng chế độ I2C Thơng tin liên quan đến an tồn giao thơng phát sóng liên tục mà khơng sử dụng thêm lượng giúp tăng cường lưu lượng giao thông trơn tru giảm tai nạn tử vong Đầu đèn giao thông dựa đèn LED điều chế tần số mà mắt người phát Sau đó, ánh sáng điều chế phát máy thu dựa photodiode (PD) xe Các hệ thống VLC sử dụng máy phát LED cho truyền dẫn thơng tin Trong ITS, phía phát sử dụng đèn tín hiệu giao thơng LED cho báo hiệu thời điểm Khoảng bao phủ rộng đèn chiếu sáng tạo vùng dịch vụ lớn hơn, khu vực liệu truyền dẫn nhận cách tin cậy Thiết kế đèn LED cho chiếu sáng toàn đường đơn giản thiết kế đèn giao thông dựa LED Tuy nhiên, thiết kế cho đèn giao thông hiệu giá Sự kết hợp nguồn sáng tạo truyền dẫn thơng tin liên tục khắp nơi di chuyển Tuy nhiên, khơng có đèn chiếu sáng đường LED, topo hệ thống đèn tín hiệu giao thơng chiếu sáng VLC trở nên linh động mô tả biến đổi kênh truyền dẫn Khoảng cách máy phát máy thu nhiễu xung quanh thay đổi, làm cho tỷ số tín hiệu nhiễu thay đổi đáng kể kênh truyền quang vơ tuyến ngồi trời Khoảng cách ngắn máy phát máy thu cho phép sử dụng tốc độ truyền dẫn cao hơn; mặt khác, cường độ nhxung quanh tăng làm giảm tốc độ truyền dẫn 2.2 Tích hợp VLC vào hệ thống ITS Đèn giao thông dựa đèn LED cung cấp tùy chọn phù hợp để hoạt động RSU kiến trúc ITS mà không cần sở hạ tầng bổ sung Một kịch tương tác RSU dựa đèn LED phương tiện trình bày Hình 2.1 Thơng tin giao thông trước tiên thu thập chuyển đến điều khiển trung tâm, có số chức năng, cụ thể là:  Xử lý liệu;  Phân phối địa lý liệu;  Phát sóng thơng tin; Thực hoạt động kiểm sốt giao thơng.  Các hệ thống ITS chủ yếu dựa giải pháp vô tuyến không dây hệ thống hồng ngoại tầm ngắn VLC tích hợp hiệu kịch để cung cấp thông tin từ sở hạ tầng điều khiển giao thông (đèn giao thông) đến phương tiện Giải pháp cung cấp số lợi ích, cụ thể là: hiệu chi phí, khơng cần thêm thiết bị hỗ trợ truyền thông không dây; hiệu lượng, khơng cần thêm lượng để hỗ trợ hệ thống truyền thông Do đó, VLC coi cơng nghệ truyền thông bổ sung ứng dụng ITS 2.3 Mơ hình tham chiếu kiến trúc hệ thống VLC hệ thống ITS 2.3.1 Mơ hình tham chiếu Kiến trúc giao thức tham chiếu tuân theo mơ hình tham chiếu ISO/OSI Hình 2.1 cho thấy sơ đồ kiến trúc chung đề xuất cho lớp truyền thông VLC Kiến trúc chia thành ba phần chính: i) VLC cụ thể (VLC Specific) bao gồm nguồn phát lớp vật lý (PHY), giao diện bảng điều khiển ánh sáng, máy thu, khối sửa lỗi đóng khung; ii) VLC thích ứng (VLC Adaptation) bao gồm lớp quản lý kiểm soát truy cập phương tiện truyền thông (MAC), cộng với dịch vụ giá trị gia tăng; iii) ITS phổ biến (ITS Common) bao gồm lớp TCP/IP ứng dụng chung cho kiến trúc ITS 10 sở đưa vào mơ hình Mặc dù liên quan đến an toàn, quản lý lưu lượng hiệu ứng dụng chuyên dụng giá trị gia tăng xử lý lớp ứng dụng, lớp bảo mật giám sát cung cấp xác thực cho dịch vụ ứng dụng mở rộng Lớp quản lý kiểm soát trở nên cần thiết cho mơ hình tham chiếu để kiểm sốt thích hợp hoạt động thành phần khác 2.3.2 Phía phát thu VLC ITS 2.3.2.1 Phía phát VLC ITS Thiết bị phát VLC thiết bị biến đổi điện sang quang, truyền thông tin sử dụng sóng ánh sáng qua mơi trường khơng dây Các hệ thống VLC trở thành công nghệ hữu ích cho tương lai việc truyền dẫn liệu không dây nhờ phát triển công nghệ chiếu sáng chất rắn Tín hiệu liệu số chuyển qua mã hóa liệu, điều chế tín hiệu với mục đích chuyển LED tới tốc độ mong muốn đường truyền liệu Phương pháp điều chế sử dụng phải đưa cường độ lớn ánh sáng thời điểm, ánh sáng sáng Điều chế cường độ trực tiếp IM-DD sử dụng IR sử dụng VLC Có thể sử dụng phương pháp điều chế (OOK, PPM, LPPM ) định rõ điều chế ánh sáng lên sóng mang ánh sáng Thơng tin theo cách định dạng trước ghép với sóng mang Trải phổ kỹ thuật cần xem xét Nó tăng khả chống nhiễu tắc nghẽn, cho phép truyền tin bảo mật Trong khía cạnh thực tế, điều chế nhận thông tin từ đơn vị điều khiển giao thơng để điều khiển thông tin thay đổi màu chiếu sáng Nó đảm bảo: (i) khơng có truyền dẫn khoảng ngắn thay đổi tín hiệu; (ii) chuyển mạch LED qua điều khiển đầu Bộ điều khiển đầu kết hợp với tín hiệu điều khiển nên đảm bảo đủ công suất quang để đạt dải truyền tin mong muốn Đôi đặc tính điện LED màu khác nhau, dịng điện thuận lớn hay điện áp thuận, sử dụng điều khiển đầu với kênh riêng biệt chuyển mạch khác - Bộ mã hóa tích hợp hay dải tín hiệu đầu vào rõ Để xây dựng khối này, vi điều khiển giải pháp hiệu tương đối rẻ nâng cấp khơng dễ Sử dụng FPGA đắt hơn, khả xử lý liệu tốt dễ nâng cấp Trong hệ thống điều khiển đầu cuối điện tử, tích hợp ma trận LED tiết kiệm công suất, dải quang tần số hoạt động lớn 2.3.2.2 Phía thu VLC ITS Máy thu VLC biến đổi quang sang điện, nhận thông tin điều chế trước dải tần số nhìn thấy chuyển sang tín hiệu điện có khả xử lý giải điều chế - giải mã Sự thiết kế xác thiết bị quan trọng để đảm bảo chất lượng toàn hệ thống VLC 13 Các xung ánh sáng nhìn thấy, bắt nguồn từ phía máy phát hệ thống tập hợp vào tách sóng quang; lọc loại bỏ tia hồng ngoại quang giải pháp thiết thực cho việc giảm phổ tín hiệu khơng mong muốn Photodiode đảo khơng cân hoạt động chế độ quang dẫn, tạo dòng tỷ lệ với ánh sáng thu Dòng có giá trị nhỏ yêu cầu tiền khuếch chuyển sang dạng điện áp Bộ tiền khuếch đại biểu diễn dung hòa tốt băng thông nhiễu cho loại ứng dụng Điện áp nhận sau đưa vào lọc thông thấp để loại bỏ nhiễu tần số cao Tín hiệu sau khuyến đại sâu tầng khuếch đại cuối Lọc tín hiệu chiều áp dụng đầu vào tầng khuếch đại lọc, giúp giảm thành phần nhiễu chiều tín hiệu thu thành phần tần số thấp Tín hiệu điện áp cuối nên tương ứng với xung ánh sáng nhận được, xung sau giải mã khối giải mã cuối cùng, tách liệu số Khối cuối thực hàm nghịch đảo khối mã hóa bên phía phát, thực Cơ chế giải điều chế phụ thuộc vào chế điều chế sử dụng phía phát Kỹ thuật biến đổi giảm thực tế xem tách sóng trực tiếp Khôi phục xung clock cần thiết cho việc đồng phía phát phía thu Thêm vào đó, hệ thống cần khối quản lý giao thức khối khôi phục xung clock/dữ liệu cho việc đồng gói tin nhận Bộ tách sóng đặc trưng tham số trường quan sát (Field of View - FOV), đáp ứng diện tích dịch vụ Với diện tích dịch vụ lớn hơn, máy thu có FOV rộng Tuy nhiên, FOV rộng dẫn đến làm giảm chất lượng hệ thống khả nhận tín hiệu ánh sáng khơng mong muốn 2.3.3 Kênh truyền VLC ITS Một yêu cầu nghiêm ngặt VLC truyền sóng trực tiếp tầm nhìn thẳng (LOS) Mặc dù vài ví dụ ứng dụng nhà cấu hình kênh NLOS sử dụng Ánh sáng phát từ LED mang thông tin liệu mơi trường khơng dây Do đó, cường độ ánh sáng phía phát trở thành tham số quan trọng mà dải truyền dẫn phụ thuộc vào Có nhiều nguồn nhiễu ánh sáng bên ngồi ánh sáng mặt trời ánh sáng đường phố Đó vấn đề quan trọng cần xem xét thiết kế đường truyền Chúng làm giảm cường độ ánh sáng bên phía phát gây tạo xung bị sai phía photodiode Các lọc quang sử dụng để loại bỏ hiệu ứng 14 Hình 2.3: Mơ hình kênh truyền LOS NLOS Chương 3: Xác định vùng truyền thông hiệu hệ thống sử dùng đèn giao thông thông minh 3.1 LED chiếu sáng đường Các LED thay đổi khái niệm chiếu sáng không với mong muốn hiệu suất tối đa mà hội cho ứng dụng ánh sáng thông minh linh động Công nghệ chiếu sáng dựa LED, cho phép thay đổi chưa có việc điều khiển phổ xạ, mà điều chỉnh cho nhu cầu cụ thể từ y tế, chiếu sáng nông nghiệp, chiếu sáng tàu vũ trụ, chiếu sáng cho người với nhu cầu màu sắc đặc biệt, chiếu sáng cho loài vật cho đối tượng nghệ thuật, cho nhà hát… Mạch điện áp thấp, chuyển mạch nhanh, tương thích với điều khiển máy tính cho phép hệ thống chiếu sáng thông minh với ổn định điều khiển phần mềm tiết kiệm lượng Các hệ thống lên trở thành cách mạng công nghệ tương lai gần Chiếu sáng đường sử dụng LED giúp bỏ nhiều hệ thống truyền thơng, ví dụ đèn hiệu hồng ngoại Vì chiếu sáng sử dụng cho truyền tin, lượng lớn cần phải sử dụng hiệu điều truyền thông vô tuyến hồng ngoại Do mong đợi để truyền tin sử dụng dải thông rộng Phân bố chiếu sáng hàm chiều cao mơ hình phát xạ máy phát hay góc máy phát, trường quan sát FOV (Field of View), góc nửa cơng suất (Half Power Angle) máy thu, độ nghiêng máy phát máy thu, khoảng cách máy phát máy thu Mơ hình phát xạ LED lấy gần mơ hình Lambertian Ở đây, xem xét bên đường hai chiều khoảng cách đề xuất LED 30 mét (Hình 3.1) Phân bố SNR dọc đường cho góc máy thu FOV khác cần quan tâm quan sát tốc độ liệu xung quanh 100 kbps hoàn tồn sử dụng kỹ thuật chiếu sáng 15 Hình 3.1 Mơ hình LED chiếu sáng đèn đường Các đèn giao thơng sử dụng thấu kính màu để tạo tín hiệu đỏ, xanh vàng Do đó, báo hiệu giao thơng u cầu LED màu Gần đây, nhiều thành phố giới thay đèn tín hiệu giao thơng thơng thường đèn tín hiệu giao thơng dựa LED Trong tương lai, nhiều thành phố khác tiếp tục thực điều đặc tính riêng biệt LED Đó là: giá thành bảo dưỡng thấp, khả quan sát tốt hơn, tuổi thọ cao tiêu thụ lượng Bên cạnh đó, LED cịn cung cấp truyền liệu mà không bị gián đoạn chức báo hiệu, chúng đưa tầm nhìn xa tốt tiện lợi cho người theo chuẩn đèn tín hiệu giao thơng Phần đây, xem xét ngắn gọn tầm nhìn xa đèn tín hiệu giao thơng chuẩn cho tầm nhìn đèn tín hiệu giao thơng 3.2 Tầm nhìn xa đèn giao thơng Tầm nhìn xa đèn tín hiệu giao thơng yếu tố quan trọng cho điều khiển phương tiện an tồn Nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố: màu sắc, cường độ chiếu sáng phân bố cường độ chiếu sáng Ngưỡng chênh lệch độ chói (LDT) yếu tố định tầm nhìn thấy vật thể nói chung Với người để tiếp nhận nhận biết vật thể, độ chói vật thể cần chênh lệch so với độ chói chênh lệch độ chói cần phải lớn LDT để mắt người phân biệt LDT bị ảnh hưởng yếu tố khả nhìn chủ thể, tình trạng tinh thần, đặc tính vật thể, điều kiện chiếu sáng tầm nhìn mắt…Có nghĩa là, điều kiện tầm nhìn thấy người lái bị ảnh hưởng lớn thời tiết thời gian Các khía cạnh xem xét ngắn gọn việc xem 3.3 Cường độ chiếu sáng, đồng phân bố 16 Có hai yếu tố xác định yêu cầu cường độ chiếu sáng tín hiệu ánh sáng: - Độ chói (Background Luminance) LB Khoảng cách d từ tín hiệu ánh sáng nhìn thấy Độ chói LB độ chói tín hiệu ánh sáng Ls kích thước cố định có quan hệ tuyến tính theo cơng thức: LS =C LB (3.1) Trong đó: C số Cường độ chiếu sáng tốt ánh sáng đèn tín hiệu giao thơng khơng phụ thuộc vào kích thước: LS φ=C (3.2) Trong đó: C số φ góc khối tín hiệu ánh sáng Vì φ diện tích (A) tín hiệu chia cho bình phương khoảng cách tới tín hiệu cường độ chiếu sáng độ chói nhân với diện tích: φ= Do đó, A ; I =LS A d2 (3.3) I =C2 d2 (3.4) Cường độ chiếu sáng cho tín hiệu ánh sáng nhìn thấy khoảng cách cho trước: I d=C d L B (cd) (3.5) Trong đó: C số, Cd Candela, đơn vị cường độ chiếu sáng Cường độ tối ưu phụ thuộc vào độ chói mặt trời khoảng cách từ phương tiện tới tín hiệu Độ chói mặt trời 10000 cd /m2 điều kiện chuẩn Một tín hiệu ánh sáng đỏ đề xuất 200 cd, nhìn điều kiện chuẩn, phát nhanh chóng với độ tin cậy Phương trình liên quan: I d=(2E-6)d LB (cd) (3.6) Trong đó: 2E-6 lấy cho số C, d khoảng cách, LB độ chói Với hầu hết tín hiệu, dải nhìn thấy phải 100m phép điều kiện dừng đỗ an tồn với vận tốc tơ 60 km/h với cường độ chiếu sáng ánh sáng mặt trời 10000 cd/m Dưới điều kiện này, cường độ tối ưu tín hiệu ánh sáng đỏ 200cd, theo phương trình (3.6) Giá trị 200cd cho tín hiệu ánh sáng đỏ (kích thước 200mm) nhìn điều kiện chuẩn, cần thiết góc lệch chuẩn từ LOS 17 xe cộ 3° Khi góc tăng lên từ3° , yêu cầu cường độ chiếu sáng tăng theo quan hệ sau: I θ=I θ 1.33 () (3.7) Do đó, công thức Fisher cho yêu cầu cường độ chiếu sáng cần thiết đưa công thức: θ I d , θ=(2E-6) 1.33 () d LB (3.8) Trong đó: I d , θlà cường độ sáng yêu cầu (cd), θ góc từ LOS phương tiện (deg) LB độ chói (cd /m2) Tuy nhiên, đèn tín hiệu màu xanh màu vàng cần cường độ chiếu sáng lớn cường độ chiếu sáng đèn tín hiệu màu đỏ (theo hiệu ứng HelmoholtzKohlrausch) Hiệu ứng Helmoholtz-Kohlrausch ảnh hưởng kích thích màu sắc xuất để có độ chói lớn kích thích ánh sáng trắng với cường độ sáng Tỷ số cường độ sáng kích thích màu sắc, với độ chói biểu diễn B/L Ảnh hưởng thay đổi bước sóng bão hịa, với ánh sáng đỏ ánh sáng xanh bão hòa cao có giá trị B/L cao ánh sáng vàng xanh Tuy nhiên, đề xuất gần cho cường độ ánh sáng đỏ, vàng, xanh (R:Y:G) (1:2.5:1.3) 3.4 Yêu cầu cường độ chiếu sáng cho đèn giao thông dựa LED Phương trình Fisher đánh giá Tổ chức Kỹ thuật Giao thông ITE VTCSH cho yêu cầu quang trắc đèn tín hiệu giao thơng dựa LED Một loạt việc đo đạc thực đánh giá đưa chuẩn kỹ thuật ITE VTCSH đưa phương trình cho yêu cầu cường độ chiếu sáng nhỏ cho ánh sáng đèn giao thông dựa LED công thức từ (3.9) đến (3.12): I ( θ horiz ,θ vert , ¿ colour )=f ( I horiz) f ( I vert ) I (−2.5,0) (3.9) Trong đó, với tất giá trị θhoriz : f ( I horiz −1 θ horiz 11 [ ( ) ]) ) =0.05+ (0.95 exp (3.10) θ vert >−2.5 ° ; f ( I vert [ )=0.05+( 0.9434 exp −θvert +2.5 5.3 ]) (3.11) θ vert ≤−2.5 ° ; 18 θ vert + 0.76 [ exp−0.02 (θ 143 ( ) f ( I vert )=0.26+ vert +2.5) ]( −0.07( θvert ) ) (3.12) Trong đó: I(-2.5,0) = Màu Đèn tín hiệu giao thơng (200mm) Đèn tín hiệu giao thơng (300mm) Đỏ 165cd 365cd Vàng 410cd 910cd Xanh 215cd 475cd Các đèn tín hiệu giao thơng dựa LED có nhiều đặc điểm riêng biệt tầm nhìn tốt hơn, giá thành bảo dưỡng thấp, tuổi đời dài tiết kiệm lượng Có hai kích thước chuẩn đèn tín hiệu giao thơng: đường kính 200mm 300mm Hệ thống đèn tín hiệu giao thơng dựa LED bao gồm nhiều LED, hàng trăm HB-LED phân bố khơng gian Khoảng cách tầm nhìn truyền dẫn tín hiệu tăng lên với cường độ chiếu sáng 3.5 Mơ hình hệ thống Mơ hình hệ thống chia thành phần quan trọng (1) mơ hình đường giả định mơ hình truyền dẫn máy phát máy thu Mơ hình đường cung cấp thơng tin đặc tính đường, vị trí xe, tốc độ xe sơ đồ giao thơng Vị trí máy phát – máy thu, sơ đồ điều chế thông tin quan trọng góc thể phần sau Đầu tiên, mơ hình đường giả định có hai đường chiều, với gải thuyết đèn giao thông đặt cuối đường, nơi mà có điểm giao cắt giao thơng Độ rộng đường xe 3.5m mơ hình khơng gian ba chiều áp dụng thể hình 3.2 Trong khơng gian này, trục x trục ngang đường, trục y trục dọc theo chiều rộng đường trục z cho biết độ cao vật thể mơ hình Cụ thể hơn, chiều cao đèn giao thông 5.3m (h l), xe ô tô có độ rộng 1.8m có tốc độ di chuyển khơng đổi thu đặt cabo đầu xe cao hr=1.0m so với mặt đất Ô tô đường thứ thứ hai có vị trí theo trục y y = m y = 4.1 m Giải thiết rằng, mật độ giao thơng thống đãng, khơng gây ảnh hưởng đến truyền thông đường thằng ánh sáng sữa xe với máy phát từ đèn giao thơng Các thơng số tóm tắt bảng sau: Bảng 3.1: Các thông số đường giả định Khoảng cách theo hướng đường Khoảng cách theo chiều rộng đường x y 19 Khoảng cách theo chiều cao đường Khoảng cách Độ rộng xe (1.8m) Độ rộng lan đường Chiều cao đèn giao thông hl (m) Chiều cao máy thu hr (m) z d 1.8 3.5 5.3 1.0 20   0.5 c TRANSMITTER RECRIVER Hình 3.3: Sơ đồ đường Thơng qua Fig.1 khoảng cách d đèn LED giao thông máy thu xe tính sau d= x  y  (h1  hr ) (3.13) Phần thứ hai giải thích chi tiết máy phát máy thu thể Fig Trong mơ hình hệ thống, đèn giao thơng đóng vao máy phát máy thu đặt xe Tại đèn LED giao thơng, tín hiệu qua điều chế phương pháp BPSK Tất thông số máy phát máy thu thể thông qua bảng Chúng tơi giả thiết ánh sáng có góc xạ ɸ góc nửa cơng suất LED 0.5 150 21 Tại máy thu, có ba góc cần quan tâm góc nghiêng  , góc tầm nhìn máy thu FOV  c góc tới  Dựa mơ hình đường, ta tính góc xạ ɸ góc tới  sau: x arccos( ) y ɸ=   arc( sin(  arctan( (3.14) hl  hr )) x  (h l  hr ) x ) d (3.15) Bảng 3.2: Các thông số máy phát máy thu Góc xạ Góc nửa cơng suất LED Góc tới Độ nghiên dọc FOV máy thu ɸ 0.5   c 3.6 Phân tích hiệu Trong mục này, ta đề cập sau đến số mơ hình kênh LOS chẳng hạn tỷ số tín nhiều SNR, BER hệ thống a) Mơ hình kênh LOS Mật độ giao thơng giả định đủ thống đãng để khơng gây ảnh hưởng đến việc truyền ánh sáng trực tiếp từ máy phát đến máy thu Cường độ xạ LED P tr cho công thức: m 1 Pt cos m Ptr(ɸ) = 2 (ɸ) (3.16) Với Pt công suất quang truyền m xuất phát từ 0.5  m= ln ln cos 0.5 (3.17) Xem xét kết nối VLC, máy thu với lọc thông dải quang T s( ) độ lợi tập trung quang g( ), độ lợi chiều DC máy thu khoảng cách d biểu diễn gần sau ( m+1 ) A m H ( )= π d cos ()T S () g()cos ( )0< ¿❑c 0>❑c { (3.18) 22 Độ lợi tập trung quang g(ψ):   c  n2  g ( )   sin  c 0  (3.19)   c b) Tỷ số lỗi bit SNR máy thu thường biểu diễn dạng SNR  S N (3.20) Trong S cơng suất tín hiệu N công suất nhiễu Với công suất quang truyền qua (Pt), công suất quang nhận (Pr), mơ hình kênh LOS, S tính sau: S  2 Pr2  2 [H(0) Pt ]2 (3.21) với  độ nhạy tách sóng quang Liên quan đến nhiễu, ta đề cập đến nhiễu nổ hay gọi nhiễu bắn ( nhiễu nhiệt (  shot )  cir ) N=  shot 2 + cir (3.22) Nhiễu nổ phụ thuộc vào cơng suất tín hiệu dịng điện biểu thị sau:  shot =(2qRPr + 2qIig)BFt (3.23) Trong q điện tích tĩnh, Iig dòng nhiễu ánh sáng nền, Ft hệ số nhiễu B  cir băng thông nhiễu Trong đó, chủ yếu chứa nhiễu nhiệt tính tốn:  cir = kT R F BFt (3.24) Trong T nhiệt độ tuyệt đối, RF điện trở tải Giả sử SC-BPSK sử dụng mơ hình Do BER tính tốn theo công thức: BER = Q √ SNR (3.25) 23 Trong Q(.) hàm Q c) Thơng lượng Tính tốn thơng lượng hệ thống dựa tham số:  Kích thước gói tin (L)  Tốc độ truyền dẫn liệu (R) Xác suất để nhận gói tin khơng lỗi có chiều dài L bit biểu thị băng p c tính tốn theo công thức: pc = (1 – BER)L (3.26) Từ đó, thơng lượng tính tốn theo cơng thức: Throughput = Rpc (3.27) 3.7 Các kết tính tốn Để chứng minh tính khả thi mơ hình trường hợp có thêm yếu tố sương mù, thu kết hiệu suất số thể phần Các tham số hệ thống thể bảng 3.3 Bảng 3.3 Các thông số hệ thống Lớp vật lí tách sóng PD A (cm2) Độ lợi lọc quang Ts () Chiết suất n Nhiệt độ tuyệt đối T (K) Hiệu suất chuyển đổi O/E  (A/W) Điện trở tải RF (kΩ) Hệ số nhiễu Ft Độ nghiêng dọc θ (° ) FOV máy thu c (° ) Công suất truyền Pt (OOK) (mW) Công suất truyền Pt (SC-BPSK) (mW) Kích thước gói tin L (bits) Tốc độ truyền liệu R (Mbps) 0.79 1.0 1.7 298 0.35 10 102 79.1 7.6 314 126 50 24 Hình 3.3 SNR sơ đồ điều chế khác Ở hình 3.3, với phương pháp điều chế OOK SC-BPSK ta thấy SNR chủ yếu phụ thuộc đường mà xe chạy Do góc góc xạ góc tới  đường thứ nhỏ đường thứ ta thấy SNR phương tiện tốt phương tiện thứ hai có x Và từ hình 3.3, ta thấy với phương pháp điều chế OOK có SNR cao phương pháp điều chế SC-BPSK đường Do có mù (nơi mà khơng có FOV xe tới gần) SNR Ta xác định vùng truyền thông với định nghĩa phạm vi khoảng cách nơi có BER thấp 10−6 Với hình 3.3, ta thấy đầu tiên, vùng truyền thông kéo dài khỏng 10m đến 74m trục x Trong thứ khoảng cách 36m đến 51m theo trục x Điều cho thấy xe thứ nhận thông tin sớm lượng thông tin nhiều so với phương tiện đường thứ với điều kiện vận tốc Thông lượng hệ thống khảo sát so với khoảng cách theo hướng đường x thể hình 3.4 Hình cho thấy thơng lượng hệ thống đạt gia trị tối đa 1Mbps phương tiện khu vực truyền thông Điều xảy mà hệ thống cung cấp khơng có lỗi Góc nghiêng dọc  cho thấy góc cảm biến đượ gắn phía trước phương tiện để nhận thông tin từ đèn LED giao thông Góc nghiêng khác ảnh hưởng đến góc tới  thay đổi khu vực truyền thơng Như hiển thị hình 3.5 đây, đường thứ nhất, khu vực truyền thông đạt ba giá trị khác nhau, nơi sử dụng góc nghiêng khác 25 Hình 3.4: Thông lượng khác Khi tăng giá trị góc nghiêng , điểm bắt đầu kết thúc khu vực truyền thông xa với đèn LED giao thông khu vực truyền thông rộng Tuy nhiên xem xét khu vực nhiều đèn giao thơng, chồng chéo khu vực truyền thống tạo nên giao thoa khu vực Vì cần phải ước tính góc nghiêng tốt đáp ứng khu vực truyền thông mong muốn tránh nhiễu liên đoạn 26 Hình 3.5: Thơng lượng thứ với góc nghiêng khác Hình 3.6 BER khác 3.8 Kết luận Ta xác định vùng truyền thông với định nghĩa phạm vi khoảng cách nơi có BER thấp 10−6 Mơ hình hệ thống đề cập chương mơ hình đường hai chiều cho V2LC Trong khác nhau, thứ hai với giá trị SNR, BER thơng lượng tính tốn Các giá trị chứng minh phương tiện ln có số hoạt động tốt so với phương tiện đường thứ hai hai có vị trí trục x Sau khu vực xác định dựa BER TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1] Le Tung Hoa and Dang The Ngoc “Performance evaluation of V2LC system using LED traffic lights”, Posts and Telecommunications Institute of Technology [2] Sridhar Rajagopal; Richard D Roberts; Sang-Kyu Lim “IEEE 802.15.7 visible light communication: modulation schemes and dimming support”, IEEE Communications Magazine , Volume: 50 Issue: 27 ... Kênh truyền VLC ITS 14 Chương 3: Xác định vùng truyền thông hiệu hệ thống sử dùng đèn giao thông thông minh 15 3.1 LED chiếu sáng đường 15 3.2 Tầm nhìn xa đèn giao. .. NLOS Chương 3: Xác định vùng truyền thông hiệu hệ thống sử dùng đèn giao thông thông minh 3.1 LED chiếu sáng đường Các LED thay đổi khái niệm chiếu sáng không với mong muốn hiệu suất tối đa mà hội... đầu kết thúc khu vực truyền thông xa với đèn LED giao thông khu vực truyền thông rộng Tuy nhiên xem xét khu vực nhiều đèn giao thơng, chồng chéo khu vực truyền thống tạo nên giao thoa khu vực Vì