Phần này sẽ trình bày về kết quả mô phỏng hoạt động của hệ thống MIMO- VLC với các thông số như ở bảng dưới đây:
Tham số Giá trị (đơn vị)
Phòng Kích thước 5x5x3 (m3) Hệ số phản xạ 0.8 Nguồn phát Vị trí (4 LED) (1.25, 1.25, 3), (1.25, -1.25, 3), (-1.25, 1.25, 3), (-1.25, -1.25, 3) Vị trí (1 LED) (0, 0, 3)
Công suât mỗi LED 720 (W)
Độ sáng của mỗi LED 768.10 (lx)
Phía thu Mặt phẳng thu so với sàn phòng 0.85 (m) Diện tích mặt phằng tích cực ở Photo Diode 1 (cm2) FOV 50 Hệ số đáp ứng của PD 0.4
Nhiệt độ tuyệt đối 298K
Bảng 3.2: Các tham số cơ bản mô phỏng 3.3.1. Phân bố mức ánh sáng trong phòng
Giả sử rằng các đèn LED tuân theo mô hình bức xạ Lambertian, cường độ bức xạ tại một mặt bàn được tính bởi công thức (3.4): ( ) (0) os ( )ml
HV: Nguyễn Ngọc Nam 57 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 , có 1/2
là góc một nửa độ sáng của LED.
Mật độ sáng thu được tại một điểm tại mặt phẳng thu được tính bởi công thức (3.6): or 2 (0) os ( ) os( ) l m h I c I d c
Hình (3.11) và (3.12) mô tả phân bố ánh sáng tại các vị trí của phòng trong trường hợp sử dụng 4 LED phân bố trên trần phòng như ở bảng trên và sử dụng 1 LED tại chính giứa trần phòng.
HV: Nguyễn Ngọc Nam 58 b) Trường hợp dùng 1 đèn LED
Hình 3.7: Phân bố cƣờng độ ánh sáng
Như ta thấy.với 4 LED, giá trị cường độ sáng phân bố trong khoảng từ gần 200 đến 700 lx với giá trị trung bình rơi vào khoảng 450 lx. Trong khi đó, với việc chỉ sử dụng 1 LED tại chính giữa phòng, cường độ sáng chỉ tập trung ở giữa phòng với giá trị trung bình vào khoảng 350 lx. Rõ ràng là với việc sử dụng nhiều đèn LED cho việc phát sẽ tạo ra được cường độ sáng tốt hơn trong phòng.
3.3.2. Phân bố công suất trong phòng
Phân bố công suất thu được tại mặt phẳng thu được tính bởi công thức (3.7)
là: ( 21) os ( ) ( ) ( ) os( ), 0 2 l m l r t t s con m P P H P c T g c d .
Hình (3.13) và (3.14) mô tả công suất thu được tại các vị trí của phòng trong trường hợp sử dụng 4 LED phân bố trên trần phòng như ở bảng và sử dụng 1 LED tại chính giứa trần phòng
HV: Nguyễn Ngọc Nam 59 a) Trường hợp dùng 4 đèn LED
b) Trường hợp dùng 1 đèn LED
Hình 3.8: Phân bố công suất ánh sáng
Như ta thấy.với 4 LED, giá trị công suất phân bố trong khoảng từ gần -6 đến 2 dBm với giá trị trung bình rơi vào khoảng -2 dBm. Trong khi đó, với việc chỉ sử dụng 1 LED tại chính giữa phòng, cường độ sáng chỉ tập trung ở giữa phòng với giá trị trung bình vào khoảng -8 dBm. Rõ ràng là với việc sử dụng nhiều đèn LED sẽ giúp cho công suất đạt được tại mặt phẳng thu lớn hơn.
HV: Nguyễn Ngọc Nam 60
3.3.3. Đánh giá về trễ RMS tại mặt phẳng thu
Công suất quang thu được tại một điểm được tính bởi:
, ef , 1 1 M N rT d i r j i j P P P (3.14) Với M và N lần lượt là số lượng các đường truyền thẳng và các đường phản xạ từ máy phát đến mặt phẳng thu. Pd,I là công suất thu được từ đường truyền thẳng và Pref,j là công suất thu được từ các đường phản xạ.
Giá trị trễ RMS là một tiêu chí quan trọng để đánh giá giới hạn của khả năng truyền dữ liệu và được tính bởi công thức:
, , ef , ef , 1 1 M N d i d i r j r j i j rT P t P t P (3.15) 2 2 , , ef , ef , 1 1 2 M N d i d i r j r j i j rT P t P t P 2 2 ( ) RMS D
Tốc độ bit tối đa có thể truyền qua kênh được xác định bằng
1/ (10 )
b RMS
R D
HV: Nguyễn Ngọc Nam 61 Kết quả mô phỏng ở hình (3.15) cho thấy với 4 LED, giá trị trễ RMS dao động trong khoảng từ 5 đến gần 12 ns. Trễ thấp nhất nằm ở khu vực giữa phòng nơi nhận được ánh sáng đều từ cả 4 LED (khoảng 5-7 ns) và trễ cao nhất nằm ở các cạnh của phòng (có nơi lên đến xấp xỉ 12 ns).
3.3.4. Đánh giá tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR và tỉ lệ bit lỗi BER
SNR được xác định thông qua chỉ số đáp ứng của bộ thu photondetector ở phía thu và được tính theo công thức
2 2 2 er ( r) shot th mal RP SNR (3.16) Với giá trị nhiễu nổ và tạp âm nhiệt được tính lần lượt như sau:
2 2 2 2 shot qRPBt qI I BB 2 2 2 2 2 3 er 2 3 8 k 16 k th mal pd pd ol m kT kT C AI B C A I B G g
Với B là băng thông của bộ tách điện , k là hằng số Boltzmann, IB là dòng photon, Tk là nhiệt độ tuyến đối, Gol là dòng điện ngược và Cpd là dung lượng của photon trên một đơn vị diện tích, I2= 0.562 và I3=0.0868.
HV: Nguyễn Ngọc Nam 62 b) Trường hợp dùng 1 đèn LED
Hình 3.10: Tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm SNR
Kết quả mô phỏng hình (3.17) cho thấy sự phân bố SNR trong trường hợp sử dụng 4 LED. Giá trị tối đa đạt được là 51.59dB, tối thiểu là 44.40dB và trung bình là 47.73dB. Cùng với đó, hình (3.16) cho thấy SNR thu được trong trường hợp chỉ sử dụng 1 LED đơn. Giá trị tối đa của SNR là 45.8dB với tối thiểu 25dB và trung bình của 33.6dB. Các mô phỏng được thực hiện tại băng thông là 100MHz.
Để đánh giá được BER của hệ thống, ta lựa chọn phương pháp điều chế DMT 4 mức có M=4. Từ đó, ta tính được BER thông qua SNR đã có ở trên theo công thức: 2 2( 1) 1 BER log 1 2 M SNR Q M M M (3.17) Với 2 2 1 1 ( ) . 2 2 2 t x x Q x e du erfc
HV: Nguyễn Ngọc Nam 63 a) Trường hợp dùng 4 đèn LED
b) Trường hợp dùng 1 đèn LED
Hình 3.11: Tỉ lệ bit lỗi BER
Kết quả mô phỏng hình (3.18) cho thấy tỉ lệ bit lỗi BER của trường hợp 4 LED thấp hơn so với của trường hợp 1 LED với giá trị với tỉ lệ 1.15 bit lỗi trên 108 bit so với 1.8 đến 2 bit lỗi trên 108 bit.
3.4 Kết luận chƣơng 3
Chương 3 đã trình bày một cách tổng quát về hệ thống VLC trong nhà cũng như các ứng dụng của hệ công nghệ MIMO vào việc làm tăng hiệu quả hoạt động
HV: Nguyễn Ngọc Nam 64 của hệ thống VLC cho các mục đích chiếu sáng và truyền tín hiệu. Cụ thể là sử dụng MIMO giúp cho hệ thống VLC có được vùng phủ lớn về cả ánh sáng cũng như công suất tín hiệu, cùng với đó là tỉ lệ lỗi khi truyền tin cũng thấp hơn so với hệ thống VLC thông thường. Thêm vào đó, các kết quả mô phỏng cũng chỉ ra được các vị trí tốt nhất để đặt máy thu đó là vị trí có được tầm nhìn thẳng đối với máy phát tại mặt phẳng thu.
HV: Nguyễn Ngọc Nam 65
KẾT LUẬN CHUNG
Sau một quá trình nghiên cứu, luận văn của em đã được hoàn thành dưới sự hướng dẫn tận tình của TS Hà Duyên Trung - Bộ môn Điện tử Hàng không Vũ trụ, Viện Điện tử Viễn thông – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Luận văn đã trình bày những lý thuyết tổng quan nhất về hệ thống thông tin quang sử dụng ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communication – VLC). Qua đó thấy được tầm quan trọng cũng như những ứng dụng tiềm năng của VLC trong tương lai. Luận văn cũng đã đi sâu vào nghiên cứu tìm hiểu về ứng dụng của công nghệ MIMO vào hệ thống VLC nhằm cải thiện hiệu năng của hệ thống. Kết quả mô phỏng ở chương 3 cũng đã khẳng định là việc kết hợp MIMO cho VLC đem lại các kết quả khả quan cho hệ thống.
Do thời gian có hạn cũng như sự hạn chế của bản thân, các kịch bản mô phỏng và các tham số đánh giá còn chưa thực sự tối ưu và đánh giá được toàn bộ các yếu tố ảnh hưởng hệ thống như phương pháp điều chế, can nhiễu môi trường hay các ánh sáng màu và ánh sáng trắng,.. Trong tương lai, em rất mong muốn có thể tiếp tục đi sâu nghiên cứu nhằm hoàn thiện hơn những kết quả về hoạt động của hệ thống VLC-MIMO.
HV: Nguyễn Ngọc Nam 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] D. Kedar, S. Arnon, “Urban optical wireless communication networks: the main challenges and possible solutions”, IEEE Commun. Mag., vol.42, no.5, May 2004
[2] Deva K Borah, Anthony C Boucouvalas, Christopher C Davis, Steve Hranilovic, Konstantinos YiannopouLoS, “A review of communication- oriented optical wireless systems", EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking 2012, March 2012.
[3] ZEYU WU, FREE SPACE OPTICAL NETWORKING WITH VISIBLE LIGHT: A MULTI-HOP MULTI-ACCESS SOLUTION, 2012.
[4] Z. Ghassemlooy,W. Popoola, S. Rajbhandari, Optical Wireless Communications: System and Channel Modelling with MATLAB, CRC Press, 2013
[5] Jacqueline J.George, Mohammed Hayder Mustafa, Nada Mahjoub Osman, Nuha Hashim Ahmed, Da’ad Mohammed Hamed, A Survey on Visible Light Communication, International Journal Of Engineering And Computer Science ISSN:2319-7242, Volume 3 Issue 2, February 2014 Page No. 3805- 3808.
[6] Chung Ghiu Lee (2011). Visible Light Communication,Advanced Trends in Wireless Communications, Dr.Mutamed Khatib (Ed.), ISBN: 978-953-307- 183-1, InTech.
[7] Eun Tae Won, Dongjae Shin, D. K. Jung, Y. J. Oh, Taehan Bae, Hyuk- Choon Kwon, Chihong Cho, Jaeseung Son, Dominic O’Brien, Tae-Gyu Kang, Tom Matsumura, “Visible Light Communication: Tutorial”, Project: IEEE P802.15 WPANs, 9 March 2008.
[8] LUXEON Rebel General Purpose White Portfolio, www.philipslumileds.com/pdfs/DS64.pdf
[9] J. Grubor, K.-D. Langer, T. Koonen, J. W. Walewski, “Wireless High-Speed Data Transmission with Phosphorescent White-Light LEDs”, 33rd European Conference and Exhibition of Optical Communication, September 2007.
HV: Nguyễn Ngọc Nam 67 [10] R. Roberts, Z. Xu, “Update on VLC Link Budget Work”,
https://mentor.ieee.org/802.15/dcn/09/15-09-0635-01-0007-update-on-vlc- link-budget-work.ppt, September 2009.
[11] S. Hrarilovic, “Wireless Optical Communication System”, Springer, Sep 2004
[12] Hoa Le Minh, Zabih Ghassemlooy, Dominic O’Brien, Grahame Faulkner, “Indoor Gigabit Optical Wireless Communications: Challenges and Possibilities”, ICTON 2010.
[13] Ngoc-Anh Tran, Duy A. Luong, Truong C. Thang, and Anh T. Pham, Performance Analysis of Indoor MIMO Visible Light Communication Systems, Computer Communications Lab., University of Aizu, Aizuwakamatsu, Fukushima, Japan 965-8580
[14] Toshihiko Kokime, Visible Light Wireless Communication and Its Fundamental Study, 2005
[15] J. Armstrong and A. J. Lowery, “Power Efficient Optical OFDM”, Electronics Letters, March 2006.
[16] Jeffrey B. Carruthers,Member, IEEE,and Joseph M. Kahn,Member, IEEE “Modeling of Nondirected Wireless Infrared Channels”, IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, VOL. 45, NO. 10, OCTOBER 1997
[17] Sridhar Rajagopal, Samsung Electronics, Richard D. Roberts, Intel, Sang- Kyu Lim, ETRI, “IEEE 802.15.7 Visible Light Communication: Modulation Schemes and Dimming Support” , IEEE Communications Magazine, March 2012.
[18] http://www.pureVLC.com/ [19] http://www.vlcc.net/
HV: Nguyễn Ngọc Nam 68
PHỤ LỤC
Chương trình Matlab mô phỏng:
1. Phân bố ánh sáng % clear all clc %% FWHM=30; % he so Lambertian ml=-log(2)/log(cosd(FWHM)); % cong suat phat cua LED P_LED=20;
% so luong LED tai mot vi tri nLED=60;
% tong cong suat phat
P_total=nLED*nLED*P_LED;
% dien tich tich cuc cua Photon Diode Adet=1e-4;
% he so phan xa cuar Photon Diode index=1.5;
% FOV cua phia thu FOV=50;
% do loi cua bo tap trung quang G_Con=(index^2)/(sind(FOV).^2); % cuong do sang cua moi LED Io=3125;
%%
% kich thuoc phong lx=5; ly=5; lz=3;
HV: Nguyễn Ngọc Nam 69 h=2.15;
% vi tri cua cac LED
[XT,YT]=meshgrid([-lx/4 lx/4],[-ly/4 ly/4]); %[0,0][-lx/4 lx/4],[-ly/4 ly/4]
Nx=lx*10; Ny=ly*10; x=linspace(-lx/2,lx/2,Nx); y=linspace(-ly/2,ly/2,Ny); [XR,YR]=meshgrid(x,y);
D1=sqrt((XR-XT(1,1)).^2+(YR-YT(1,1)).^2+h^2); % khoang cach tu LED 1 den may thu cosphi_A1=h./D1; receiver_angle=acosd(cosphi_A1); %% I_hor_A1=Io*cosphi_A1.^(ml)./(D1.^2*cos(50)); I_hor_A2=fliplr(I_hor_A1); I_hor_A3=flipud(I_hor_A1); I_hor_A4=fliplr(I_hor_A3); I_hor_total=I_hor_A1+I_hor_A2+I_hor_A3+I_hor_A4;
% Trong truong hop 1 LED o giua phong thi chon [XT,YT] la (0,0) va % cho I_hor_total=I_hor_A1
%%
surfc(x,y,I_hor_total);
% contour(x,y,I_hor_total);hold on % mesh(x,y,I_hor_total);
2. Phân bố công suất
% clear all clc %%
HV: Nguyễn Ngọc Nam 70 % he so Lambertian
ml=-log(2)/log(cosd(FWHM)); % cong suat phat cua LED P_LED=20;
% so luong LED tai mot vi tri nLED=60;
% tong cong suat phat P_total=P_LED;
% dien tich tich cuc cua Photon Diode Adet=1e-4;
% he so phan xa cuar Photon Diode index=0.85;
% FOV cua phia thu FOV=50;
% do loi cua bo tap trung quang G_Con=(index^2)/(sind(FOV).^2); Ts=1;
%%
% kich thuoc phong lx=5; ly=5; lz=3;
% khoang cach giua phia phat va mat phang thu h=2.15;
% vi tri cua cac LED
[XT,YT]=meshgrid([-lx/4 lx/4],[-ly/4 ly/4]); %[0,0][-lx/4 lx/4],[-ly/4 ly/4]
Nx=lx*10; Ny=ly*10; x=linspace(-lx/2,lx/2,Nx); y=linspace(-ly/2,ly/2,Ny); [XR,YR]=meshgrid(x,y);
HV: Nguyễn Ngọc Nam 71 D1=sqrt((XR-XT(1,1)).^2+(YR-YT(1,1)).^2+h^2); % khoang cach tu LED 1 den may thu cosphi_A1=h./D1; receiver_angle=acosd(cosphi_A1); %% H_A1=(ml+1)*Adet.*cosphi_A1.^(ml+1)./(2*pi.*D1.^2); P_rec_A1=P_total.*H_A1.*Ts.*G_Con; P_rec_A2=fliplr(P_rec_A1); P_rec_A3=flipud(P_rec_A1); P_rec_A4=fliplr(P_rec_A3); P_rec_total=P_rec_A1+P_rec_A2+P_rec_A3+P_rec_A4; P_rec_dBm= 10*log10(P_rec_total);
% Trong truong hop 1 LED o giua phong thi chon [XT,YT] la (0,0) va % cho P_rec_total=P_rec_A1 %% surfc(x,y,P_rec_dBm); %contour(x,y,P_rec_dBm); hold on %mesh(x,y,P_rec_dBm); 3. Phân bố BER và SNR % clear all clc %% FWHM=30; % he so Lambertian ml=-log(2)/log(cosd(FWHM)); % cong suat phat cua LED P_LED=20*10^-3;
% so luong LED tai mot vi tri nLED=60;
HV: Nguyễn Ngọc Nam 72 % tong cong suat phat
P_total=nLED*nLED*P_LED;
% dien tich tich cuc cua Photon Diode Adet=1e-4;
% he so phan xa cua Photon Diode index=0.85;
% FOV cua phia thu FOV=50;
% do loi cua bo tap trung quang G_Con=(index^2)/(sind(FOV).^2); Ts=1;
%%
% kich thuoc phong lx=5; ly=5; lz=3;
% khoang cach giua phia phat va mat phang thu h=2.15;
% vi tri cua cac LED
[XT,YT]=meshgrid([-lx/4 lx/4],[-ly/4 ly/4]); %[0,0][-lx/4 lx/4],[-ly/4 ly/4]
Nx=lx*10; Ny=ly*10; x=linspace(-lx/2,lx/2,Nx); y=linspace(-ly/2,ly/2,Ny); [XR,YR]=meshgrid(x,y);
D1=sqrt((XR-XT(1,1)).^2+(YR-YT(1,1)).^2+h^2); % khoang cach tu LED 1 den may thu cosphi_A1=h./D1; receiver_angle=acosd(cosphi_A1); H_A1=(ml+1)*Adet.*cosphi_A1.^(ml+1)./(2*pi.*D1.^2); P_rec_A1=P_total.*H_A1.*Ts.*G_Con; P_rec_A2=fliplr(P_rec_A1);
HV: Nguyễn Ngọc Nam 73 P_rec_A3=flipud(P_rec_A1);
P_rec_A4=fliplr(P_rec_A3);
P_rec_total=P_rec_A1+P_rec_A2+P_rec_A3+P_rec_A4; % toc do bit va bang thong
B=100*10^9; Rb=100; Ib=5.1*10^-3; i2=0.562; i3=0.0868;
%he so dap ung cua PD R=0.4;
% dien tich diem q=1.6*10^-19; %hang so Boltzman k=1.38*10^-23; G_ol=10^5;
%nhiet do tuyet doi Tk=298; Cpd=112*10^-12; %he so nhieu F=0.562; gm=30*10^-2; theta_shot=2*q*R*P_rec_total*B+2*q*Ib*i2*B; theta_thermal=(8*3.14*k*Tk*Cpd*Adet*i2*B^2)./G_ol+(16*3.14^2*k*Tk*F*Cpd ^2*Adet^2*i3*B^3)./gm; SNR=(R*P_rec_total)^2./(theta_shot+theta_thermal); SNR_dB=10*log10(SNR); BER=3/8*erfc(1/6*sqrt(SNR_dB)); BER_dB=10*log10(BER); surfc(x,y,SNR);
HV: Nguyễn Ngọc Nam 74 % contour(x,y,I_hor_total);hold on
% mesh(x,y,I_hor_total);
4. Phân bố trễ tại mặt phẳng thu
% clear all clc %% FWHM=30; % he so Lambertian ml=-log(2)/log(cosd(FWHM)); % cong suat phat cua LED P_LED=20;
% so luong LED tai mot vi tri nLED=60;
% tong cong suat phat
P_total=nLED*nLED*P_LED;
% dien tich tich cuc cua Photon Diode Adet=1e-4;
% he so phan xa cuar Photon Diode index=0.85;
% FOV cua phia thu FOV=50;
% do loi cua bo tap trung quang G_Con=(index^2)/(sind(FOV).^2); Ts=1;
%%
% kich thuoc phong lx=5; ly=5; lz=3;
% khoang cach giua phia phat va mat phang thu h=2.15;
HV: Nguyễn Ngọc Nam 75 % vi tri cua cac LED
[XT,YT]=meshgrid([-lx/4 lx/4],[-ly/4 ly/4]); %[0,0][-lx/4 lx/4],[-ly/4 ly/4]
Nx=lx*10; Ny=ly*10; x=linspace(-lx/2,lx/2,Nx); y=linspace(-ly/2,ly/2,Ny); [XR,YR]=meshgrid(x,y);
D1=sqrt((XR-XT(1,1)).^2+(YR-YT(1,1)).^2+h^2); % khoang cach tu LED 1 den may thu cosphi_A1=h./D1; receiver_angle=acosd(cosphi_A1); delta_t1=0.5; %ns delta_t2=0.5; delta_t3=0.5; delta_t4=0.5; H_A1=(ml+1)*Adet.*cosphi_A1.^(ml+1)./(2*pi.*D1.^2); P_rec_A1=P_total.*H_A1.*Ts.*G_Con; P_rec_A2=fliplr(P_rec_A1); P_rec_A3=flipud(P_rec_A1); P_rec_A4=fliplr(P_rec_A3); P_rec_total=P_rec_A1+P_rec_A2+P_rec_A3+P_rec_A4; muy_A1=P_rec_A1.*delta_t1; muy_A2=P_rec_A2.*delta_t2; muy_A3=P_rec_A3.*delta_t3; muy_A4=P_rec_A4.*delta_t4; muy_total=(muy_A1+muy_A2+muy_A3+muy_A4)/P_rec_total; muy_2_A1=P_rec_A1.*(delta_t1)^2; muy_2_A2=P_rec_A2.*(delta_t2)^2; muy_2_A3=P_rec_A3.*(delta_t3)^2; muy_2_A4=P_rec_A4.*(delta_t4)^2;
HV: Nguyễn Ngọc Nam 76 muy_2_total=(muy_2_A1+muy_2_A2+muy_2_A3+muy_2_A4)/P_rec_total; D_RMS=sqrt(abs(muy_2_total-(muy_total)^2)); %% surf(x,y,D_RMS); %contour(x,y,D_RMS); hold on %mesh(x,y,D_RMS);