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 phản xạ một phần ánh sáng tới quay ngược lại phía nguồn phát, và ánh sáng phản xạ này được điều chế để cung cấp một tuyến dữ liệu từ thiết bị đầu cuối quay về phía
HV: Nguyễn Ngọc Nam 44 phát, tạo ra một kết nối dữ liệu đường lên. Công nghệ này rất có tiềm năng phát triển, mặc dù tốc độ dữ liệu có thể đạt được là khá thấp. Hình 2.23 chỉ ra một ví dụ về việc sử dụng bộ thu phát phản xạ để tạo ra kết nối đường lên cho ứng dụng xác nhận thẻ nhận dạng.
Hình 2.23: Ví dụ sử dụng bộ thu phát phản xạ tạo kết nối đƣờng lên
Ngoài ra, sự phối hợp giữa công nghệ VLC và các chuẩn tần số vô tuyến (RF) cũng cho phép thiết lập một kết nối hai chiều tới thiết bị đầu cuối. Một đường xuống VLC có thể được kết hợp với một đường lên RF, và hệ thống này có thể giúp giảm lượng tải trên kênh vô tuyến chia sẻ, cải thiện hiệu năng toàn mạng.
2.7.2. Giải pháp đa truy nhập đa chặng
Rất nhiều ứng dụng đã được triển khai rộng rãi trong truyền thông quang để tận dụng ưu điểm giá thành thấp kết hợp khả năng chiếu sáng của các thiết bị LED. Tuy nhiên, yếu tố tính hướng và độ nhạy của các thiết bị trong mạng truyền thông quang cần phải kiểm tra và tính toán cẩn thận để đạt được hiệu năng tốt nhất.
Mô hình đa truy nhập đa chặng đã được đề xuất trong [3] cung cấp một giải pháp cho các ứng dụng VLC trong nhà với tốc độ dữ liệu lên đến 10 Mb/s, kết hợp khả năng cho phép nhiều người dùng truy nhập cùng lúc mà không yêu cầu các thiết bị phải nằm trong tầm nhìn thẳng. Thêm vào đó, kỹ thuật điều khiển truy nhập môi trường (MAC) được sử dụng để giải quyết vấn đề cạnh tranh giữa các máy thu di động, cung cấp kết nối liên tục và đáp ứng yêu cầu về tính đơn giản cũng như giá thành của thiết bị.
HV: Nguyễn Ngọc Nam 45
Hình 2.24: Giải pháp đa truy nhập đa chặng
2.7.3. Giải pháp tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu
Để đạt được tốc độ truyền dẫn dữ liệu cao hơn, có thể sử dụng phương pháp truyền dẫn dữ liệu song song từ nhiều LED. Phương pháp này còn được gọi là hệ thống đa đầu vào đa đầu ra (MIMO).
Trong hầu hết các ứng dụng chiếu sáng hiện nay, rất nhiều LED được sử dụng để cung cấp cường độ chiếu sáng cần thiết. Điều này đem lại cơ hội truyền dẫn các dữ liệu khác nhau trên mỗi thiết bị hoặc trên các nhóm nguồn phát khác nhau. Do đó, cần có một dãy máy thu được thiết kế ở phía thu để thu nhận dữ liệu, và thiết kế này hình thành nên hệ thống MIMO. Các kỹ thuật MIMO trong vô tuyến có thể được áp dụng vào các hệ thống truyền dẫn quang để thỏa mãn yêu cầu về sự thẳng hàng giữa các dãy máy thu và máy phát. Nhiều kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng có thể truyền dữ liệu song song bằng công nghệ MIMO có thể đạt được tốc độ tối đa tới 1Gb/s [12]. Giải pháp này cũng sẽ được trình bày cụ thể hơn ở chương sau của luận văn.
2.8. Kết luận chƣơng 2
Công nghệ VLC sử dụng nguồn sáng LED chủ yếu sử dụng LED trắng như một công cụ phát sáng đồng thời với truyền dữ liệu qua kênh truyền không gian tự do. Các mô hình kênh truyền điểm – điểm, phân tán, kết hợp với những ưu – nhược điểm của chúng cho người dùng nhiều sự lựa chọn khi xây dựng hệ thống VLC.
HV: Nguyễn Ngọc Nam 46 Những phương pháp điều chế điều chỉnh độ sáng LED giúp cho hệ thống hoạt động ổn định, thỏa mãn cả hai mục đích về chiếu sáng và truyền số liệu. Các giá trị hiệu năng của VLC cũng được đề cập đến như những tham số đánh giá hoạt động của một hệ thống VLC. Cuối chương cũng đã đề cập đến các vấn đề gặp phải của hệ thống VLC và một số giải pháp nhằm cải thiện hiệu năng của hệ thống.
HV: Nguyễn Ngọc Nam 47
CHƢƠNG 3 - CÔNG NGHỆ MIMO TRONG HỆ THỐNG VLC TRONG NHÀ.
Như đã trình bày ở chương 1, công nghệ VLC ứng dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực và có thể triển khai đối với môi trường trong nhà hoặc ngoài trời. Đối với mô hình trong nhà, mô hình truyền dẫn như sau :
Hình 3.1: Mô hình truyền dẫn VLC trong nhà
Với mỗi liên kết đầu cuối khác nhau, chúng ta có thể ứng dụng triển khai các dịch vụ khác nhau ứng với các tốc độ truyền dẫn khác nhau như truyền dữ liệu, chia sẻ nội dung, truyền video, định vị, điều khiển.
Cụ thể về một số loại dịch vụ tương ứng được đưa ra trong bảng sau:
Di động – Di động Di động – Cố định Di động – LED Cố định – LED
Kết nối Hai chiều Hai chiều Hai chiều hoặc một chiều
Hai chiều hoặc một chiều
Khoảng
HV: Nguyễn Ngọc Nam 48
Tốc độ ~100Mbps ~100Mbps ~10Mbps ~10Mbps
Ứng
dụng Chia sẻ nội dung
Truyền dữ liệu Truyền Video Thương mại điện tử di động
Định vị Điều khiển
Quảng bá dữ liệu
Bảng 3.1: Các ứng dụng với môi trƣờng trong nhà
3.1. Mô hình hệ thống VLC trong nhà
3.1.1. Kết cấu hình học của phòng
Xét một mô hình phòng điển hình với máy thu được đặt ở vị trí bàn làm việc và bốn máy phát được cố định trên trần nhà tại các vị trí. Mỗi máy phát bao gồm nhiều đèn LED để đảm bảo cung cấp đủ ánh sáng cho căn phòng [13]. Thiết kế này được mô tả như trong Hình 2.15.
Hình 3.2: Mô hình hệ thống VLC trong nhà điển hình
Dữ liệu thông tin tới một văn phòng hay một tòa nhà đi vào trong mạng và được lấy ra từ các điểm truy nhập quang trong mỗi phòng, trong đó các điểm truy
HV: Nguyễn Ngọc Nam 49 nhập quang là các LED trắng và đồng thời có chức năng chiếu sáng. Các LED trắng tại các điểm truy nhập không chỉ chiếu sáng trong phòng mà còn điều chế tín hiệu điện thành tín hiệu sóng ánh sáng, và những tín hiệu này được phát vào trong không khí. Tốc độ điều chế tín hiệu đủ nhanh để mắt người không thể phát hiện ra được. Hiệu ứng chắn sáng có thể được giải quyết bằng cách sử dụng nguồn sáng được phân bố khắp trong phòng.
Các xung tín hiệu quang phát đi từ LED được thu lại tại thiết bị đầu cuối của người sử dụng, thiết bị này gồm có đi-ốt tách quang có khả năng chuyển các xung quang thành các tín hiệu điện. Bộ thu quang tại thiết bị đầu cuối sử dụng một bộ lọc thông dải để lọc các ánh sáng nền xung quanh và chỉ có bước sóng mang thông tin qua được bộ lọc.
3.1.2. Mô hình kênh truyền
Do đèn LED được sử dụng với mục đích chiếu sáng đồng thời với truyền thông, nên giá trị về cường độ sáng và công suất phát quang cần được xem xét đến. Cường độ sáng ở đây được sử dụng để thể hiện độ sáng của đèn LED; trong khi công suất phát quang được sử dụng để mô tả năng lượng bức xạ ra từ các LED [14]. Cường độ sáng có thể coi là quang thông trên mỗi đơn vị góc rắn và được tính bằng: d I d (3.1)
Với là quang thông và là góc không gian.
có thể tính được qua năng thông enhư sau:
780 380 ( ) ( ) m e K V d (3.2) Với V( ) là tiêu chuẩn sáng và Km là giá trị sáng tối đa ~ 683lm/W ở bước sóng 555nm.
Công suất quang truyền đi được cho bởi: ax min 2 0 m t m e P K d d (3.3)
HV: Nguyễn Ngọc Nam 50 Với max và min lần lượt là độ nhạy tối đa và tối thiểu của photodiode.
Hình 3.3 mô tả một môi trường VLC trong nhà điển hình. Giả sử rằng các đèn LED tuân theo mô hình bức xạ Lambertian, cường độ bức xạ tại một mặt bàn được tính bởi:
( ) (0) os ( )ml
I I c (3.4) Với là góc tạo bởi phương bức xạ so với trục thằng đứng, I(0)là mật độ sáng trung tâm và ml là hệ số Lambertian được xác định bằng
1/ 2 ln(2) ln( os ) l m c (3.5)
Với 1/2 là góc một nửa độ sáng của LED
Mật độ sáng và công suất thu được tại một điểm tại mặt phẳng thu được tính bởi:
or 2 (0) os ( ) os( ) l m h I c I d c (3.6) 2 ( 1) os ( ) ( ) ( ) os( ), 0 2 l m l r t t s con m P P H P c T g c d (3.7) Hình 3.3: Môi trƣờng VLC trong nhà
Độ lợi của bộ tập trung quang tại phía thu được xác định bởi 2 2 0 ( ) sin 0 0 con con con n g (3.8) Với n là hệ số phản xạ.
HV: Nguyễn Ngọc Nam 51 Trên thực tế con thường khác 0 do con là FOV của bộ tập trung quang tại phía thu. Hiện nay, các nghiên cứu về hệ thống VLC trong nhà hướng tới mô hình đa đèn LED như ở hình 3.4. Ở đây, mỗi LED có thể được xem như là một điểm sáng và do đó mô hình bức xạ của mỗi LED có thể được mô tả thông qua hàm của góc rắn. Với tất cả các đèn LED đều bật, sự phân bố độ sáng trên mặt phẳng thu được tính thông qua góc rắn là: 2 2 2 ( ) ( , ; ) ( ) LED f f x y d x y d (3.9)
Hình 3.4: Mô hình đa LED
Việc sử dụng hệ thống đa đèn LED cho các ứng dụng VLC trong nhà bắt nguồn từ các lý do sau : (i) hầu hết các phòng sử dụng nhiều nguồn sáng để đảm bảo mức độ sáng đủ và (ii) đáp ứng phân tập không gian. Đây cũng là tiền đề cho áp dụng công nghệ MIMO vào VLC.
3.2. Sử dụng MIMO trong hệ thống VLC trong nhà
Để đạt được tốc độ truyền dẫn dữ liệu cao hơn, có thể sử dụng phương pháp truyền dẫn dữ liệu song song từ nhiều LED. Phương pháp này còn được gọi là hệ thống đa đầu vào đa đầu ra (MIMO). Trong hầu hết các ứng dụng chiếu sáng hiện nay, rất nhiều LED được sử dụng để cung cấp cường độ chiếu sáng cần thiết. Điều này đem lại khả năng truyền dẫn các dữ liệu khác nhau trên mỗi thiết bị hoặc trên các nhóm nguồn phát khác nhau. Do đó, cần có một dãy máy thu được thiết kế ở
HV: Nguyễn Ngọc Nam 52 phía thu để thu nhận dữ liệu, và thiết kế này hình thành nên hệ thống MIMO. Các kỹ thuật MIMO trong vô tuyến có thể được áp dụng vào các hệ thống truyền dẫn quang để giải phóng yêu cầu về sự thẳng hàng giữa các dãy máy thu và máy phát.
Hình 3.5: Mô hình một hệ thống MIMO
Kênh truyền giữa các anten máy phát (Tx) và anten máy thu (Rx) như mô tả trong hình vẽ trên được gọi là một kênh Nhiều đ ầu vào-Nhiều đầu ra (MIMO). Một hệ thống truyền dẫn trên kênh truyền MIMO được gọi là hệ thống truyền dẫn MIMO. Trong các trường hợp đặc biệt khi N = 1 và M = 1, tương ứng chúng ta có các hệ thống phân tập thu SIMO và phát MISO.
Kỹ thuật MIMO nhìn chung có các ưu điểm như: (i) Tăng độ lợi mảng: làm tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu, từ đó làm tăng khoảng cách truyền dẫn mà không cần tăng công suất phát; (ii) Tăng độ lợi phân tập: làm giảm hiện tượng fading thông qua việc sử dụng hệ thống anten phân tập, nâng cao chất lượng hệ thống, (iii) Tăng hiệu quả phổ: bằng cách sử dụng ghép kênh không gian; (iv) Tăng dung lượng kênh (so với dùng chỉ 1 phát – 1 thu) mà không cần tăng công suất phát và băng thông.
Việc áp dụng MIMO vào VLC chủ yếu ở đây chủ yếu nhằm lợi dụng tính phân tập không gian của việc thu-phát đa đường làm tăng hiệu quả hoạt động của hệ thống VLC trong nhà về vùng phủ, công suất cũng như một số tham số hiệu năng như SNR và BER. Phân tập không gian là phương pháp đã được sử dụng rộng rãi trong thông tin vô tuyến. Phương pháp này sử dụng nhiều anten ở máy thu, máy phát hoặc ở cả phía máy thu và máy phát để tạo nên các nhánh phân tập không gin khác nhau. Khoảng cách cần thiết giữa các anten tối thiểu là một nửa bước sóng
HV: Nguyễn Ngọc Nam 53 gian phát, và tương tự chúng ta có phân tập không gian thu nếu sử dụng nhiều anten thu. Trường hợp sử dụng nhiều anten tại cả máy phát và máy thu chúng ta có một tập hợp kênh truyền với nhiều đầu vào và nhiều đầu ra là MIMO.
Mô hình MIMO sử dụng nhiều thiết bị phát (LED) và nhiều thiết bị thu nhằm cải thiện tốc độ cũng như đáp ứng các yêu cầu cơ bản của hệ thống. Công nghệ MIMO hỗ trợ nâng cao đáng kể tầm hoạt động và thông lượng mạng, cũng như sử dụng phổ tần số hiệu quả hơn. Do đó, MIMO đóng vai trò quan trọng trong hệ thống mạng không dây. Cấu trúc VLC-MIMO điển hình được mô tả ở hình dưới với 4 LED được sử dụng cho chiếu sáng đồng thời với phát các luồng dữ liệu độc lập. Phía thu cũng sử dụng 4 máy thu tương ứng để thu tín hiệu. Các luồng dữ liệu đến máy thu có độ lớn thay đổi tùy thuộc vào kết cấu của phòng. Hình b mô tả mô hình truyền dữ liệu của MIMO với luồng dữ liệu nối tiếp đầu vào sẽ được được chuyển thành 4 luồng dữ liệu song song được điều chế tại 4 LED và phát lên kênh truyền. Ở phía thu sẽ thu tín hiệu từ 4 LED và thực hiện giải điều chế, phục hồi lại luồng dữ liệu.
Hình 3.6 mô tả một hệ thống VLC MIMO đặc trưng [13]. Bốn đèn LED được sử dụng để chiếu sáng trong phòng đồng thời truyền dẫn bốn luồng dữ liệu độc lập. Một máy thu được cấu tạo gồm bốn phần tử tách sóng quang. Luồng dữ liệu chuỗi đầu vào được sắp xếp và sử dụng để điều chế các dãy LED. Ánh sáng phát ra từ mỗi LED được tập hợp bởi tất cả các phần tử tách sóng quang trong máy thu, nhưng với các cường độ khác nhau do cấu hình hình học. Tín hiệu thu được từ tất cả bốn kênh được xử lý bằng cách sử dụng ma trận kênh để phục hồi các luồng dữ liệu đã được phát đi tương ứng với các kênh cụ thể.
HV: Nguyễn Ngọc Nam 54
Hình 3.6: Hệ thống VLC MIMO
Trong hệ thống MIMO, tổng công suất phát bị hạn chế bởi số lượng các máy phát NT. Phía thu, NR máy thu sẽ chịu ảnh hưởng của nhiễu từ môi trường và tạp âm của hệ thống. Ta có ma trận H với kích thược NtxNR mô tả kênh truyền. Nếu có k thiết bị LED ở i máy phát và truyền thông với j máy thu, ta có độ lợi kênh giữa anten phát thứ i và anten thu thứ j, hij sẽ được tính bằng công thức:
0 ij ij 2 1 ij ij ij ( ). os( ) 0 0 j K rx k k C k C k A R c d h (3.10) Trong đó,
+ Arxj là diện tích thu của máy thu thứ j được tính bằng: 2 2 sin ( ) j rx PD C n A A
với n là hệ số tập trung quang và APD là diện tích của photondiode
+ dij2 là khoảng cách từ máy phát I đến máy thu j