2.4.1. Giới thiệu
Để truyền dữ liệu qua các LED cần phải điều chế thông tin vào trong tín hiệu sóng mang. Chuẩn IEEE802.15.7 cho VLC bao trùm cả tầng vật lý (PHY) và tầng điều khiển truy nhập môi trường (MAC), nhưng chúng ta sẽ tập trung vào tầng vật lý. Tầng vật lý được chia thành ba loại: PHY I, PHY II và PHY III. Mỗi tầng vật lý chứa các phương thức điều chế khác nhau.
28
- PHY I: Định nghĩa cho một nguồn sáng đơn ở ngoài trời với các ứng dụng tốc độ dữ liệu thấp. Nó hoạt động từ 11.6 đến 266 Kb/s và hỗ trợ OOK và VPPM.
- PHY II: Định nghĩa cho một nguồn sáng đơn được thiết kế cho các ứng dụng trong nhà với tốc độ dữ từ 1.25 đến 96 Mb/s và hỗ trợ OOK và VPPM.
- PHY III: Nó sử dụng nhiều nguồn quang với các tần số khác nhau (hay các màu khác nhau) và hoạt động từ 12 đến 96 Mb/s. Cơ chế điều chế là CSK.
2.4.2. Cơ chế điều chế khóa đóng mở (OOK)
Kỹ thuật điều chế quá đóng mở là dạng đơn giản nhất của kỹ thuật điều chế dịch biên độ mà biểu diễn tín hiệu dữ liệu như là sự xuất hiện và sự vắng mặt của một sóng mang. Trong dạng đơn giản nhất của nó, sự xuất hiện của sóng mang cho một khoảng cụ thể biểu diễn bit 1, trong khi sự vắng mặt của cùng khoảng như vậy biểu diễn bit 0. Một vài cơ chế phức tạp thay đổi các khoảng để truyền thêm thông tin. OOK tương tự như mã đường truyền đơn cực.
Sơ đồ khối của một hệ thống thu điển hình thực hiện IM/DD được biểu diễn ở hình 2.14:
Hình 2.14: Sơ đồ khối của máy thu của hệ thống IM/DD điển hình
Các bit thông tin là đầu vào của bộ điều chế (NRZ hay Manchester) ở tốc độ bit Rb
bit trên giây (bps). Dạng xung đuợc tạo ra bởi bộ điều chế cho mỗi bit đi đến bộ phát quang. Tín hiệu quang được điều chế cường độ đi qua kênh truyền đa đường phân tán theo thời
29
gian cái biểu thị đầy đủ đặc tính bằng đáp ứng xung h tc( ) Tín hiệu quang tới được biến đổi thành tín hiệu điện ở photodiode, sử dụng tách sóng trực tiếp.
Các tín hiệu điện nhận bao gồm một bản sao bị méo của tín hiệu điện phát, nhiễu nổ (shot noise) n tsh( ) cũng như là nhiễu ánh sáng huỳnh quang tuần hoàn n tfl( ). Bộ lọc thông cao ở phía thu, sau đó là photodiode, được mô hình như là một bộ lọc RC bậc một với tần số cắt f0 . Lọc thích ứng sử dụng một bộ lọc (integrate and dump filter) được giả thiết cho tất cả các cơ chế điều chế. Với sự vắng mặt của ánh sáng huỳnh quang và nhiễu liên ký tự (ISI), điều này tương ứng với máy thu được tối ưu.
Đỉnh biên độ của xung nhận được là A, và tỷ lệ trực tiếp với công suất quang. Giả sử:
A2RPs (2.5)
Trong đó: R là hệ số đáp ứng của photodiode, Ps là công suất quang nhận được trung bình. Hàm mật độ xác suất (PSD) của Gaussian shot noise n tsh( ) được ký hiệu là N0PSD của n tsh( )phụ thuộc vào dòng điện quang một chiều được tạo ra:
N0 2 (q IBib) (2.6)
Trong đó: IBlà dòng photodiode một chiều được tạo ra bởi ánh sáng bên ngoài cố định; ib
là mức trung bình của nhiễu ánh sáng huỳnh quang và q là điện tích của electron.
Dạng tín hiệu được truyền có thể được mô tả như một dãy số vô hạn của các mô hình trễ thời gian của dạng xung cơ bản p(t):
( ) k ( ) b k S t a p t kT (2.7) Trong đó: p t( )là xung vuông có độ rộng xung Tb1/Rb; aklà biên độ mang thông tin.
Nếu tín hiệu là Manchester, p t( )là xung thay thế của cùng độ rộng với sự chuyển tiếp ở giữa các bit. Bỏ qua các thành phần nhiễu, xung tín hiệu nhận r t( ) ở đầu vào bộ lọc
thích ứng là:
r t( )h tF( )* ( )p t (2.8)
30
Tỷ số lỗi bit BER cho cơ chế điều chế OOK
Máy phát OOK phát ra một xung vuông có độ rộng 1/Rb và có cường độ 2P (peak power – công suất đỉnh) biểu thị bit 1, và không có xung để biểu diễn bit 0. Băng thông yêu cầu bởi OOK là gần Rb. BER được cho trước trong điều kiện khoảng cách nhỏ nhất. Với loại máy thu này, máy thu chọn một tín hiệu từ tập tín hiệu đã biết xem cái nào gần nhất với tín hiệu nhận. Bởi vì máy thu quan sát các tín hiệu có thể gần nhất với tín hiệu nhận được. Do đó, nó có thể ít tạo ra lỗi nhờ nhiễu. Một phép đo quan trọng của việc chống nhiễu của một tập tín hiệu cho trước là khoảng cách nhỏ nhất giữa các tín hiệu:
dmin mini j xixj (2.9) 2 min min i j i j d x t x t dt (2.10) Trong đó: dminlà khoảng các nhỏ nhất Euclidean
Hình 2.15 biểu diễn hình học của khoảng cách euclidean nhỏ nhất giữa hai tín hiệu:
Hình 2.15: Biểu diễn khoảng cách nhỏ nhất
Với trường hợp OOK, khoảng cách nhỏ nhất về mặt năng lượng trên bit được biểu diễn:
dook2 2Eb (2.11)
Trong đó: Eblà khoảng cách năng lượng trên bit. BER được cho trước về mặt khoảng cách là: min 0 2 d BER Q N (2.12) Và BER của hệ thống OOK là:
31 2 2 0 0 2 b S b OOK E R P T BER Q Q N N (2.13) Trong đó: R là đáp ứng của bộ tách sóng quang, Pslà công suất quang trung bình, Tblà khoảng bit. Như vậy, về mặt hàm lỗi bù (error function) nó được đưa ra như sau:
2 2 0 0 2 b S b OOK E R P T BER Q Q N N (2.14) Công suất yêu cầu bởi OOK để đạt được một BER cho trước là:
1 0 1 ( ) 2 b OOK N R P Q BER R (2.15) Với bất kì cơ chế điều chế khác, để đạt được cùng xác suất lỗi, công suất được yêu cầu gần đúng là: min OOK req OOK d P P d (2.16)
2.4.2. Phương pháp điều chế vị trí xung biến đổi (Variable Pulse Position Modulation – VPPM) – VPPM)
Phương pháp điều chế vị trí xung biến đổi là phương pháp điều chế mới hơn, là sự kết hợp của hai phương thức điều chế: điều chế vị trí xung (2 Pulse Position Modulation – 2PPM) và điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM).
Trong phương pháp điều chế PPM, mỗi chu kỳ ký hiệu sẽ được chia thành M chu kỳ con. Thông tin sẽ được gửi bằng cách truyền một cường độ quang khác không trong một chu kỳ con, trong khi các chu kỳ con còn lại vẫn giữ nguyên. Mỗi chu kỳ con sẽ không trùng lặp về thời gian, do đó mỗi ký hiệu là trực giao với nhau. Ví dụ ta có không gian tín hiệu M = N, M-PPM ký hiệu có thể được xem như một khối mã OOK với chu kỳ là MT trong đó cường độ ra bằng không ngoại trừ trong chu kỳ T. Hàm cơ sở của M-PPM có dạng (2.17): 𝝓𝒎(𝒕) = √𝑴 𝑻𝒓𝒆𝒄𝒕 ( 𝒕 − (𝑴) (𝒎 − 𝟏)𝑻 𝑻 𝑴 ) (2.17)
32
Trong đó:𝒎 𝝐 𝑴 và T là chu kỳ con.
Không gian tín hiệu của M-PPM là không gian Euclid M chiều với một điểm tín hiệu trên mỗi trục M.
Hình 2.16: Hàm cơ sở của 2-PPM
Cường độ sáng gửi qua kênh truyền được tính theo biểu thức (2.18):
𝒙(𝒕) = ∑ 𝑴𝑷√𝑻
𝑴𝝓𝑨[𝒌](𝒕 − 𝒌𝑻)
∞
𝒌=−∞
(2.18)
Trong đó 𝑨[𝒌] sẽ chọn ký hiệu xuất hiện trong M. Các xung sẽ không âm trong toàn bộ thời gian do cấu tạo của chúng.
Công suất quang trung bình của mỗi ký hiệu không đổi bằng P với công suất đỉnh của mỗi ký hiệu là MP. Bởi các điểm trong không gian tín hiệu trực giao và cách đều với nhau nên xác suất lỗi ký hiệu được tính theo (2.19):
𝑷𝒆(𝒌ý 𝒉𝒊ệ𝒖)≈ (𝑴 − 𝟏). 𝑸 (𝑷√ 𝑴
𝟐𝑹𝒔𝝈𝟐) (2.19)
Trong đó: 𝑹𝒔 = 𝟏/𝑻 là tốc độ ký hiệu. Do các điểm trong không gian tín hiệu trực giao với nhau, xác suất lỗi ký hiệu có thể chuyển thành xác suất lỗi bit bằng cách lũy thừa
33
với 𝑴𝟐/(𝑴 − 𝟏). Như vậy, xác suất lỗi bit được tính theo (2.20):
𝑷𝒆≈𝑴
𝟐. 𝑸 (𝑷√
𝑴 𝐥𝐨𝐠𝟐𝑴
𝟐𝑹𝝈𝟐 ) (2.20)
Với tốc độ bit 𝑹 = 𝑹𝒔𝒍𝒐𝒈𝟐𝑴.
2.4.4. Phương pháp điều chế Khóa dịch màu (Color-Shift Keying)
Như ta đã biết, ánh sáng trắng từ LED có thể tạo ra theo hai cách, cách thứ nhất sử dụng LED đơn chip xanh phủ phosphor. Tuy nhiên, lớp phosphor này sẽ làm chậm quá trình đáp ứng của LED. Phương pháp khắc phục nhược điểm này đó là sử dụng LED RGB và đối với loại LED này, chúng ta sẽ dùng phương pháp điều chế khóa dịch màu CSK. Phương pháp điều chế CSK có thể xem gần như tương đồng với phương pháp điều chế khóa dịch tần (Frequency-Shift Keying – FSK) ở chỗ các đoạn bit được mã hóa với màu sắc (bước sóng). Ví dụ như đối với điều chế 4-CSK (hai bit cho một ký hiệu), một trong bốn bước sóng thích hợp (màu sắc) sẽ được sử dụng cho một cặp bit. Trong phương pháp điều chế CSK sử dụng không gian màu CIE 1931 do Ủy bạn quốc tế về chiếu sáng công bố để ánh xạ dữ liệu đầu vào thành cặp giá trị tọa độ màu (xp, yp).
Giá trị tọa độ xy được xác định trong CIE 1931 thông qua ba đại lượng X, Y và Z. Trong đó các giá trị X, Y, Z được bắt nguồn từ các thông số của ba loại tế bào hình nón trong mắt người (có chức năng cảm nhận màu sắc trong ba khoảng bước sóng, ngắn, trung bình và dài) mô tả ba tính chất của màu sắc:
Sắc độ (Sáng hay tối)
Tông màu
Độ bão hòa màu
Một quang phổ đơn sắc C với bước sóng 𝝀 được biểu diễn với ba giá trị này như biểu thức (2.21):
𝑪 = 𝒙̅(𝝀)𝑿 + 𝒚̅(𝝀)𝒀 + 𝒛̅(𝝀)𝒁 (2.21)
34
Hình 2.17. Hàm gán màu XYZ
Hình 2.17 mô tả đường cong phổ của ba hàm gán màu (bắt nguồn từ ba loại tế bào cảm nhận màu sắc hình nón) với bước sóng từ 380nm đến 700nm. Trục tung là góc quan sát tiêu chuẩn (do các tế bào hình nón nhạy cảm nằm trong một vòng cung 20 của hố mắt). Với 𝑷(𝝀)là phân bố phổ màu, ta tính được các giá trị X, Y, Z theo (2.22):
𝑿 = 𝒌 ∫ 𝑷(𝝀)𝒙̅(𝝀)𝒅𝝀 𝟕𝟖𝟎 𝟑𝟖𝟎 𝒀 = 𝒌 ∫ 𝑷(𝝀)𝒚̅(𝝀)𝒅𝝀 𝟕𝟖𝟎 𝟑𝟖𝟎 (2.22) 𝒁 = 𝒌 ∫ 𝑷(𝝀)𝒛̅(𝝀)𝒅𝝀 𝟕𝟖𝟎 𝟑𝟖𝟎
Giá trị của k được chọn sao cho Y = 1 hoặc Y = 100. Từ đó, các giá trị x, y được tính như biểu thức (2.23):
𝒙 = 𝑿 𝑿 + 𝒀 + 𝒁
(2.23)
𝒚 = 𝒀 𝑿 + 𝒀 + 𝒁
35
Trong phương pháp điều chế CSK, chuẩn IEEE 802.15.7 đã chia phổ tần thành 7 dải màu (với bước sóng trung tâm) để hỗ trợ cho việc lựa chọn LED nhiều màu dùng cho truyền dẫn.
Bảng 2.1. Các dải màu trong không gian màu CIE 1931 với tọa độ màu (x, y)
Dải (nm) Mã Bước sóng trung tâm
(nm) (x , y) 380-450 000 415 (0.18, 0.01) 450-510 001 480 (0.09, 0.13) 510-560 010 535 (0.19, 0.78) 560-600 011 580 (0.51, 0.49) 600-650 100 625 (0.70, 0.30) 650-710 101 680 (0.72, 0.28) 710-780 110 745 (0.73, 0.27)
Hình 2.18. Không gian màu CIE với hai trục xy và 7 dải màu (000 đến 110)
36
phổ cùng với 7 dải màu dùng cho truyền dẫn.
Một số ưu điểm của phương pháp điều chế CSK đó là:
- Màu sắc cuối cùng ở đầu ra (ví dụ: màu trắng) sẽ được đảm bảo nhờ tọa độ màu xy. - Tổng năng lượng của tất cả các nguồn sáng là không đổi (mặc dù mỗi nguồn có thể
có công suất phát khác nhau). - Không có tình trạng nhấp nháy.
- CSK hỗ trợ điều chỉnh độ sáng bằng cách điều chỉnh biên độ dựa vào sự thay đổi dòng điện vào LED. CSK hỗ trợ thay đổi biên độ với các bộ chuyển đổi số/tương tự, do đó hỗ trợ các phương pháp điều chế cao hơn mang lại tốc độ dữ liệu lớn hơn.
2.5. Kết luận chương 2
Chương 2 đã trình bày khái quát về hệ thống truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy với các đặc điểm quan trọng, các thành phần cụ thể và ứng dụng của công nghệ này. Đồng thời cũng đã phân tích và giải thích động lực triển khai hệ thống VLC và đưa ra lý do nghiên cứu ứng dụng của VLC trong hệ thống giao thông thông minh ứng dụng cùng mạng di động 5G.
CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP TÍCH HỢP CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG SỬ DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY VÀO TRONG MẠNG 5G
3.1. Giải pháp tích hợp VLC trong mạng 5G
Ngày nay, xu hướng phát triển này đang hướng tới thế hệ thứ năm (5G) của các hệ thống không dây. Do đó, 5G được hình dung sẽ có khoảng cách công nghệ đáng kể so với các mạng di động trước đây: tốc độ dữ liệu rất cao, độ trễ cực thấp, dung lượng di động
37
cao, số lượng lớn thiết bị được kết nối, đảm bảo năng lượng và tiết kiệm chi phí. Do đó, truyền thông ở phổ sóng milimet (mmWave), với phạm vi ngắn và băng thông lớn, được coi là công nghệ 5G quan trọng. Đặc biệt, giao tiếp bằng ánh sáng khả kiến (VLC) được coi là một công nghệ bổ sung đầy hứa hẹn cho mmWave, cho các kịch bản giao tiếp tầm ngắn, cung cấp tốc độ dữ liệu rất cao, tiêu thụ năng lượng thấp, độ trễ thấp và chi phí triển khai thấp. Trong khi đó, với sự phát triển của xã hội như việc tăng dân số và việc tăng số lượng phương tiện tham gia giao thông dẫn đến việc tắc nghẽn gây ảnh hưởng rất nhiều đến cuộc sống cũng như tổn hao đến nền kinh tế chính do đó việc nghiên cứu hệ thống giao thông minh được tập chung nghiên cứu. Như vậy, mạng 5G với ưu điểm truyền thông độ trễ thấp, cực đáng tin cậy sẽ giúp hệ thống giao thông thông minh rất nhiều. Đặc biệt, với giải pháp tích hợp VLC vào trong mạng 5G được sử dụng trong một kịch bản xe cộ, trong đó VLC sẽ được cung cấp bởi đèn chiếu sáng của một thành phố (thông minh), mạng 5G cung cấp kết nối với đèn giao thông. Mỗi đèn giao thông được kết nối với mạng 5G và nó có khả năng tạo ra tín hiệu VLC về phía các phương tiện giao thông đang đi tới giúp các phương tiện có thể giao tiếp với nhau tăng độ an toàn khi tham gia giao thông và giảm số lượng tai nạn giao thông cũng như tăng hiệu quả của đèn tín hiệu giao thông.
3.1.1. Giới thiệu hệ thống giao thông thông minh (ITS)
3.1.1.1. Sự cần thiết của hệ thống giao thông thông minh
Với tăng lên về dân số ở các khu vực thành phố và sự tăng lên đáng kể của số lượng ô tô, các phương tiên ngày càng trở nên hỗn loạn. Vấn đề của tắc nghẽn không chỉ ảnh hưởng đến cuộc sống hàng ngày của người dân mà còn có ảnh hưởng lớn đến các hoạt động kinh tế và kinh doanh. Vấn đề đó làm giảm thu nhập, ảnh hưởng đến sự phát triển cơ bản của các thành phố trên thế giới. Vì thế hệ thống giao thông thông minh được nghiên cứu như là các giải pháp trong tương lai.
3.1.1.2. Đặc tính quan trọng của hệ thống giao thông thông minh
Tính tự động
Tính toán tự động là một yêu cầu quan trọng của ITS. Hệ thông giao thông trong tương lai yêu cầu phải tính toán tự động, phân tích các thông tin và hoạt động đầu vào, bắt
38
đầu các hoạt động phối hợp để nâng cao chất lượng của hệ thống. Nhu cầu cho tính linh động và tự do lựa chọn là một khía cạnh quan trọng khác về phía người sử dụng. Việc thiếu tính linh động trong các hệ thống giao thông giới hạn tiềm năng của người sử dụng ở đó liên quan đến các dịch vụ cá nhân. ITS nên mở ra sự linh động, các phương án khác nhau và các sự lựa chọn điều khiển, cũng như là các dịch vụ cá nhân. Khi các hệ thống giao thông đặc biệt phụ thuộc vào các topo mạng và các đặc điểm khác, các hệ thống thông minh trở nên cần thiết. Các công nghệ truyền thông mới, bao gồm di động, không dây và các mạng ad-hoc cải thiện các hạ tầng một cách đáng kể, giúp chúng trở thành một phần tích cực và