Suy hao tín hiệu
Mô hình đường truyền khuếch tán được mô tả như hình 2.11 đã được sử dụng để đánh giá các tham số hiệu năng truyền thông của hệ thống VLC [10]
HV: Nguyễn Ngọc Nam 32 Nguồn phát LED có hàm phân bố cường độ ánh sáng trong không gian
I0gt(θ), trong đó I0 là cường độ ánh sáng có đơn vị candila và gt là hàm khúc xạ không gian chuẩn hóa được.
Do đó, tổng thông lượng ánh sáng phát ra từ nguồn LED là:
max max 0 0 0 0 2 S t t F I g d I g sin d Ω Ω (2.17) Trong đó Ω𝑚𝑎𝑥 là góc mở của chùm sáng phát ra từ LED, liên hệ với góc nửa phát xạ 𝜃𝑚𝑎𝑥 theo công thức:
max 2π 1 cos max
Ω
(2.18) Do đó, suy hao tín hiệu L có thể được xác định như sau:
max 0 0 0 ( ) 2 t r r s t I g F L F I g sin d Ω (2.19)
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR
Trong truyền thông quang không dây, nhiễu có thể từ một số nguồn như nhiễu từ ánh sáng huỳnh quang, tạp âm nhiệt và nhiễu nổ. Nhiễu nổ gây ra bởi ánh sáng xung quanh, là nguồn nhiễu chủ yếu trong truyền thông quang không dây. Do đó, hàm mật độ công suất nhiễu có thể được xác định như sau:
0 shot 2
N N q Pn
(2.20) Trong đó:γ là hệ số đáp ứng.
Pn là năng lượng ánh sáng trung bình.
Từ đó, với một tốc độ bit Rb nào đó, ta có tỉ số bit lỗi SNR được xác định như sau: 2 2 0 r b P SNR R N (2.21)
Dung lƣợng kênh tối đa
Một tham số quan trọng khác khi xét đến hiệu năng là dung lượng kênh. Mặc dù tốc độ đạt được trên thực tế còn phụ thuộc vào một vài tham số khác, tốc độ cực đại dựa trên định lý Shannon có thể giúp đánh giá phần nào hiệu năng.
HV: Nguyễn Ngọc Nam 33 Theo định lý Shannon, dung lượng kênh C (tốc độ truyền dữ liệu tối đa ứng với một giá trị SNR cho trước) được xác định bởi:
2
log 1 SNR
CB
(2.22)
Tỉ lệ bit lỗi BER
Giá trị BER phụ thuộc vào kỹ thuật mã hóa và điều chế.. Để đơn giản nhất, ta có thể lấy ví dụ với việc sử dụng kỹ thuật điều chế OOK [11]. BER có thể được xác định bởi: 0 0 Q Q e b b P P R N R N (2.23) 2.4. Mô hình kết nối VLC
Cũng giống như các hệ thống thông tin không dây khác, hoạt động của VLC cũng chịu ảnh hưởng rõ rệt từ mô hình kết nối sử dụng. Một số mô hình kết nối được mô tả ở hình sau [3]:
Hình 2.15: Một số mô hình kết nối VLC
Tiêu chí đầu tiên cần xét đến để phân loại các mô hình kết nối đó là mức độ định hướng giữa thiết bị thu - phát. Kiểu kết nối định hướng sẽ bố trí hai thiết bị thu phát trực tiếp hướng vào nhau nhằm thiết lập đường truyền thẳng trong khi kết nối
HV: Nguyễn Ngọc Nam 34 không định hướng sẽ tạo ra một vùng phủ mà ở đó thiết bị thu phát có thể thực hiện truyền thông. Kết nối định hướng có ưu điểm là sẽ tối ưu công suất phát, giảm suy hao tín hiệu và hạn chế nhiễu từ các nguồn sáng khác. Kết nối không định hướng lại có ưu điểm ở việc tiện dụng cho các thiết bị di động do diện tích vùng phủ rộng.
Một tiêu chí khác liên quan đến việc tồn tại hay không vật chắn giữa thiết bị phát và thu. Kiểu kết nối mà ở đó không tồn tại vật chắn giữa thiết bị phát và thu được gọi là kết nối có đường nhìn thẳng (LOS - Line Of Sight) và ngược lại là kết nối không có đường nhìn thẳng Non-LOS. Kết nối LOS có ưu điểm là tối ưu năng lượng sử dụng và hạn chế méo đa đường, Trong khi đó, kết nối Non-LOS lại tăng cường tính bền vững và cho phép hệ thống hoạt động kể cả khi có vật cản giữa thiết bị thu-phát.
2.4.1. Mô hình kết nối điểm – điểm
Hình 2.16: Mô hình kênh truyền điểm - điểm
Một mô hình kết nối điểm – điểm cơ bản được mô tả ở hình 2.16 . Khi áp dụng mô hình này, các thiết bị đầu cuối tương tác với nhau thông qua một luồng sáng hẹp và mảnh. Do đó, mô hình này đòi hỏi đường truyền giữa các thiết bị thu
HV: Nguyễn Ngọc Nam 35 phát có tính định hướng cao cũng như không có vật cản. Trong trường hợp không gian hẹp, mô hình kết nối điểm – điểm cho phép thiết bị thu tránh được tạp âm từ các nguồn sáng khác và hạn chế suy hao tín hiệu. Tuy nhiên, mô hình này yêu cầu độ nhạy cao với môi trường.
Một mô hình kết nối điểm – điểm khác đó là kiến trúc ghép kênh phân chia theo không gian. Theo đó, phía phát sẽ phát nhiều luồng dữ liệu khác nhau theo các hướng không gian khác nhau để cho phép nhiều người dùng có thể sử dụng chung một bước sóng ánh sáng. Kiến trúc ghép kênh phân chia theo không gian này còn có thể sử dụng để theo bám các luồng thông tin quang. Các luồng tín hiệu sẽ được định hướng bởi các hệ thống con theo bám. Tốc độ của các kết nối điểm – điểm cơ bản đạt tới tầm 155Mb/s.
2.4.2. Mô hình kết nối phân tán
Mô hình kết nối phân tán trong VLC khá giống với truyền thông vô tuyến. Ở mô hình này, luồng tín hiệu không được định hướng trực tiếp đến máy thu mà mà sẽ được phát tỏa ra một vùng rộng bao phủ. Điều này cho phép thiết bị thu có thể di động được miễn sao vẫn nằm trong vùng phủ của tín hiệu phát; tuy nhiên, cái giá phải trả đó là việc mất tín hiệu cũng như nhiễu xuyên ký tự ISI do méo đa đường. Một số thí nghiệm đã tiến hành cho kết quả kết nối phân tán có thể đạt đến tốc độ 50Mb/s trong khoảng cách 3m với các ứng dụng trong nhà. Hình 2.17 dưới đây mô tả một mô hình kết nối phân tán.
2.4.3. Mô hình kết hợp (Quas – Diffuse Link)
Mô hình kết hợp là sự kết hợp của hai mô hình đã nêu trên, điểm – điểm và phân tán. Ở mô hình này, máy phát sẽ chiếu sáng lên trần nhà nhiều chùm tín hiệu tạo thành mạng lưới các điểm phát thứ cấp trên trần. Trên thực tế, các chùm sáng có thể tạo ra bởi nguồn sáng đơn hoặc các bộ tách sóng ánh sáng. Mô hình này có thể coi là một mô hình MIMO trong VLC.
HV: Nguyễn Ngọc Nam 36
Hình 2.17: Mô hình kết nối phân tán
HV: Nguyễn Ngọc Nam 37
2.4.4. So sánh các mô hình
Trên đây là ba mô hình kết nối phổ biến nhất của hệ thống VLC. Kết nối điểm – điểm là có ưu điểm là đơn giản nhưng vẫn đạt được tốc độ truyền dữ liệu cao nhưng bù lại là nó không thể hỗ trợ các ứng dụng có tính di động cũng như yêu cầu các thiết bị định hướng chính xác. Kết nối phân tán tuy chịu ảnh hưởng của suy hao tín hiệu cũng như méo đa đường nhưng nó lại đáp ứng được yêu cầu của các ứng dụng có tính di động cao và tăng cường khả năng bền vững của hệ thống mạng. Mô hình kênh kết hợp hội tụ đủ ưu điểm của hai mô hình trên nhưng yêu cầu chi phí cao. Một số sánh về các tính chất của ba mô hình kênh được thể hiện ở bảng sau.
Tính chất Kết nối điểm –điểm Kết nối phân tán Kết nối kết hợp
Khoảng cách Xa Trung bình Trung bình
Tốc độ Cao Thấp Trung bình
LOS Có Không Không
Tính di động Không Có Có
Chi phí Thấp Trung bình Cao
Bảng 2.2: So sánh các mô hình kết nối
2.5. Phía thu của hệ thống VLC
2.5.1. Bộ tập trung quang
Tác dụng của bộ tập trung quang là tập trung ánh sáng vào máy thu. Bộ tập trung quang thường được sử dụng trong VLC là bộ tập trung quang CPC (Compound Parabolic Concentrator).
HV: Nguyễn Ngọc Nam 38
Hình 2.19: Bộ tập trung quang CPC
Cấu tạo của bộ tập trung quang CPC như hình 2.19, gồm có hai gương parabol (AD và BC). Góc 𝜽 là góc chấp nhận, nếu tia sáng tới có góc tới nhỏ hơn 𝜽, nó sẽ được phản xạ tới AB, nếu góc tới lớn hơn 𝜽, tia sáng sẽ bị phản xạ ra ngoài.
2.5.2. Bộ lọc quang
Dùng để loại bỏ các ánh sáng từ nguồn bên ngoài (ánh sáng mặt trời, ánh sáng đèn) cũng như ánh sáng khác gây nhiễu. Ngoài ra sau đó tín hiệu sẽ được qua các bộ khuếch đại trước khi được giải điều chế.
2.5.3. Diode tách quang
Thiết bị quan trọng nhất trong máy thu VLC đó là thiết bị chuyển đổi từ tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Phương pháp chính để xử lý tín hiệu quang truyền đến trong hệ thống VLC đó chính là sử dụng Diode tách quang.
Hai loại Diode tách quang được sử dụng đó là Diode tách quang PIN và Diode tách quang thác APD.
HV: Nguyễn Ngọc Nam 39
Hình 2.20: Cấu trúc Diode PIN
Để có thể hoạt động được với các bước sóng dài mà tại đó ánh sáng thâm nhập sâu hơn vào vật liệu bán dẫn thì miền nghèo rộng là rất cần thiết. Muốn vậy vật liệu loại n được pha trộn ít và được xem như bán dẫn thuần (i). Loại bán dẫn pha trộn cao để tạo ra điện trở tiếp xúc thấp (n+ và p+). Diode PIN được định thiên nghịch. Ánh sáng đi vào từ phía p, mỗi photon ánh sáng có năng lượng hf lớn hơn hoặc bằng năng lượng dải cấm Eg của bán dẫn và kích thích điện tử từ dải hóa trị vượt qua dải cấm đi tới dải dẫn. Quá trình này để lại trong dải hóa trị một lỗ trống do đó hình thành các cặp điện tử-lỗ trống. Trong lớp nghèo, dưới tác động của điện trường ngoài, các cặp điện tử-lỗ trống này được tách ra, điện tử trôi về phía n và các lỗ trống trôi về phía p.
Diode tách quang thác APD có nguyên tắc hoạt động tương tự nhưng các cặp điện tử-lỗ trống sẽ được qua một miền điện trường và được gia tốc, va đập mạnh vào các nguyên tử của bán dẫn và tạo ra các cặp điện tử-lỗ trống thứ cấp thông qua quá trình ion hóa do va chạm. Các hạt tải điện thứ cấp qua miền điện trường lại tiếp tục được gia tốc và tạo ra các cặp điện tử-lỗ trống mới gây ra hiệu ứng thác (hiệu ứng nhân).
HV: Nguyễn Ngọc Nam 40
Hình 2.21: Cấu trúc Diode thác APD
Trong VLC thường sử dụng Diode Pin và APD silicon với độ nhạy quang từ 190nm đến 1000nm, phù hợp với khoảng bước sóng của VLC.
Bảng 2.3 cho chúng ta thấy một số loại Diode đang được thương mại hóa trên thị trường kèm theo các thông số:
Mã 𝝀(nm) 𝝀𝒑𝒆𝒂𝒌 Độ nhạy (A/W) Dòng tối (pA) Diện tích hiệu dụng (mm) Ảnh S1087 320 – 730 560 0.3 10 1.3x1.3 S1133 2.4x2.8 S8265 340 – 720 540 20 2.4x2.8
HV: Nguyễn Ngọc Nam 41
S1787-04 320 – 730 560 10 2.4x2.8
S9219-01 380 – 780 550 0.22 50 3.6x3.6
Bảng 2.3: Một số loại Diode tách quang
2.6. Các vấn đề gặp phải của công nghệ VLC
Dù là công nghệ hứa hẹn của tương lai với rất nhiều ưu điểm, VLC vẫn còn tồn tại nhiều vấn đề cần phải nghiên cứu, giải quyết nhằm nâng cao chất lượng, hiệu năng hệ thống. Nội dung dưới đây tóm tắt một số hạn chế cũng như vấn đề kỹ thuật cần quan tâm đối với công nghệ VLC.
2.6.1. Vấn đề Line of Sight
Như trong bảng 1.2, sóng ánh sáng không đi xuyên qua các vật cản không trong suốt là một ưu điểm của VLC về mặt bảo mật. Tuy nhiên, tính chất này cũng đồng thời là hạn chế với VLC khi không cho phép tín hiệu được truyền đến tất cả mọi khu vực, ví dụ như tất cả các phòng trong một tòa nhà. Thêm vào đó, việc tín hiệu VLC bị phản xạ dẫn đến việc tốc độ truyền tín hiệu trong môi trường không có tầm nhìn thẳng (None Light-of-sight) bị suy giảm nghiêm trọng.
2.6.2. Vấn đề về chất lƣợng tín hiệu
Nhìn chung, chất lượng của tín hiệu VLC phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Sau đây là một số nguyên nhân chính dẫn đến việc tín hiệu VLC bị suy giảm trong quá trình truyền đi trong môi trường:
Tín hiệu bị nhiễu hoặc tạp âm: Các yếu tố thuộc loại này ảnh hưởng đến tín
hiệu trong VLC chủ yếu là hai loại: tạp âm nhiệt (Thermal Noise) và nhiễu nổ (Shot Noise).
Tạp âm nhiệt là dòng điện không mong muốn gây ra dưới tác động của chuyển động nhiệt của các hạt mang điện. Nguồn gây ra tạp âm nhiệt trong hệ thống VLC chính là do các thành phần cấu thành nên hệ thống, mà chủ yếu nhất là bộ tiền
HV: Nguyễn Ngọc Nam 42 khuếch đại ở phía thu gây ra. Tạp âm nhiệt được tạo ra độc lập với tín hiệu thu và được mô hình hóa theo phân bố Gaussian.
Nhiễu nổ là loại nhiễu chính trong hệ thống VLC, nguồn gây ra nhiễu nổ gồm có nguồn nhiễu tự nhiên (mặt trời) và nhân tạo (đèn huỳnh quang, đèn sợi đốt,…). Đối với các mô hình VLC có FOV hẹp (Narrow-LOS), nhiễu sẽ phụ thuộc vào tín hiệu (do ảnh hưởng bên ngoài không nhiều). Đối với trường hợp FOV rộng (Wide-LOS), ảnh hưởng từ các nguồn sáng bên ngoài lên tín hiệu lớn, nhiễu sẽ độc lập với tín hiệu
Tín hiệu méo do hiệu ứng truyền đa đƣờng:
Hình 2.22: Méo do truyền đa đƣờng
Khi tín hiệu VLC được truyền đi và gặp phải vật cản, nó sẽ bị phản xạ, khúc xạ,.. Điều này dẫn đến tín hiệu sẽ đến phía thu theo những đường khác nhau với trễ và pha khác nhau. Như vậy phía thu sẽ nhận được tín hiệu bị “méo” so với tín hiệu ban đầu.
HV: Nguyễn Ngọc Nam 43
2.6.3. Vấn đè về thiết bị đàu cuối
Một vấn đề khác của VLC là làm thế nào để hoạt động khi các thiết bị phát sáng ở trạng thái “tắt”. Nếu các thiết bị phát sáng đều “bật”, VLC có thể hoạt động truyền tín hiệu đồng thời với chiếu sáng. Tuy nhiên, không phải lúc nào con người cũng có nhu cầu để các thiết bị chiếu sáng hoạt động. Để khắc phục vấn đề này, các nhà nghiên cứu đưa ra ý tưởng về một công nghệ điều chỉnh các thiết bị hoạt động sao cho đảm bảo 2 điều kiện: (1) đủ để truyền thông tin và (2) đủ để con người cảm nhận thiết bị này đang “tắt”.
2.6.4. Vấn đề chuẩn hóa
Hiện nay, vấn đề chuẩn hóa của VLC vẫn chưa được hoàn thiện do việc cần đưa ra các tiêu chí chuẩn cho VLC ở cả phương diện truyền tin lẫn phương diện chiếu sáng. Một số tiêu chí có thể kể đến như an toàn, mức độ sáng phù hợp hay khả năng di động của hệ thống. Các tiêu chí này khác so với phần lớn các tiêu chí đưa ra các chuẩn hiện nay; dẫn đến khó khăn cho công cuộc xây dựng chuẩn cho VLC.
2.6.5. Một số vấn đề khác
Có một số các yếu tố khác ảnh hưởng lên hệ thống VLC trong thực tế đó là điều kiện thời tiết. Chúng có thể gay hạn chế về phạm vi hoặc độ sẵn sang của kết nối. Các tín hiệu ánh sáng có thể bị hấp thụ bởi hơi nước và CO2 có trong bầu khí quyển gây ra suy hao. Ngoài ra, tín hiệu còn có thể bị phân tán khi gặp sương mù, mây mù, mưa, tuyết hay các điều kiện thời tiết xấu khác. Các hiện tượng này có thể được giảm thiểu bằng cách tăng FOV và sử dụng bộ tập trung quang.
2.7. Giải pháp cải thiện hiệu năng
2.7.1. Giải pháp kết nối đƣờng lên
Công nghệ VLC rất phù hợp với các ứng dụng quảng bá, tuy nhiên cung cấp một đường lên tới máy phát là một thách thức không nhỏ. Một vài phương pháp đã được nghiên cứu, trong đó một đường lên bằng ánh sáng hồng ngoại được sử dụng cùng với nguồn VLC. Ngoài ra, một bộ thu phát phản xạ có thể được sử dụng để