L ỜI CAM ĐOAN
2.5.3 Kênh truyền VLC trong hệ thống ITS
M t trong nh ng yêu c u nghiêm ng t c a VLC là truy n sóng tr c ti p tộ ữ ầ ặ ủ ề ự ế ầm nhìn th ng (direct line of ẳ sight-LoS). M c dù trong m t vài ví d cặ ộ ụ ủa ứng d ng ụ trong nhà cấu hình kênh phân tán (difused channel) cũng đƣợ ử ục s d ng. Trong hình v 2.6 ẽ a ,b các đƣờng truyền LoS và phân tán đƣợc biểu di n ễ
(a)
(b)
Hình 2.6 ( C u hình h a) ấ ệthống VLC car- -car, (b) S ph n x t mto ự ả ạ ừ ặt đƣờng ( ph n x phân tán)ả ạ
Ánh sáng phát t LED mang thông tin d ừ ữ liệu trong môi trƣờng không dây. Do đó, cƣờng độ ủ c a ánh sáng c a phía phát tr thành m t tham s quan tr ng mà ủ ở ộ ố ọ d i truyả ền dẫn ph thu c vào. Có r t nhi u các ngu n nhiụ ộ ấ ề ồ ễu ánh sáng bên ngoài nhƣ là ánh sáng m t tr i và các ánh sáng cặ ờ ủa đƣờng phố. Đó là mộ ấn đềt v quan tr ng ọ cần đƣợc xem xét trong thi t k ế ế đƣờng truy n. Chúng làm giề ảm cƣờng độ ủ c a ánh sáng bên phía phát và có th gây ra s t o xung b ể ự ạ ịsai ở phía photodiode. Các b l c ộ ọ quang có th ể đƣợc sử ụng để d loạ ỏi b các hiệu ứng này.
Nói chung, thiết kế các h ệthống VLC cho các ng d ng ngoài tr i khá khó ứ ụ ờ và phức tạp. Nó bao gồm các lĩnh vực hiểu biết khác nhau nhƣ quang, điện, truy n ề thông và mạng.
CHƢƠNG 3 MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT VÀ ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN -
CỦA HỆ THỐNG VLC ỨNG DỤNG TRONG ITS
3.1 Giới thiệu
Các h ệ thống VLC s d ng máy phát LED cho truy n d n thông tin. Trong ử ụ ề ẫ ITS, phía phát s dử ụng đèn tín hiệu giao thông LED cho báo hi u cùng m t thệ ở ộ ời điểm, Thêm vào đó, có mộ ốt s LED c n thi t cung c p cho t m nhìn kho ng cách ầ ế ấ ầ ở ả dài và truy n d n d ề ẫ ữ liều, để bao ph m t diủ ộ ện tích đƣờng rộng hơn dọc chi u dài ề đƣờng. Kho ng bao ph r ng cả ủ ộ ủa đèn chiếu sáng t o ra m t vùng d ch v lạ ộ ị ụ ớn hơn, khu vực ở đó dữ u truy n d n nhliệ ề ẫ ận đƣợc m t cách tin cộ ậy. Do đó, giống nhƣ đặc tính chi u sáng ế ở môi trƣờng trong nhà, chiếu sáng đồng nhất và định hƣớng tr nên ở quan tr ng. Ví d , mô hình chiọ ụ ếu sáng đèn cho chiếu sáng đƣờng khác v i cho các ớ đèn tín hiệu giao thông. Thi t k các ánh sáng LED cho chi u sáng toàn b ế ế ế ộ đƣờng d ễ hơn cho các đèn giao thông dựa trên LED. Tuy nhiên, thi t k ế ế cho các đèn giao thông hi u qu v giá hệ ả ề ơn. Sự ế ợ k t h p c a các ngu n sáng này có th t o ra truyủ ồ ể ạ ền d n thông tin liên t c và kh p mẫ ụ ắ ọi nơi khi di chuyển.
Tuy nhiên, khi không có các đèn chiếu sáng đƣờng LED, topo h th ng các ệ ố đèn tín hiệu giao thông chi u sáng VLC tr ế ở nên linh động và đƣợc mô t b i s bi n ả ở ự ế đổ ủi c a kênh truy n d n. Kho ng cách máy phát và máy thu và nhi u xung quanh có ề ẫ ả ễ thể thay đổi, làm cho t s tín hi u trên nhiỷ ố ệ ễu thay đổi đáng kể ở kênh truy n quang ề vô tuy n ngoài tr i. Kho ng cách ngế ờ ả ắn hơn giữa máy phát và máy thu cho phép s ử d ng tụ ốc độ truy n dề ẫn cao hơn; mặt khác, cƣờng độ nhiễu xung quanh tăng có thể đƣợc cân b ng b i gi m tằ ở ả ốc độ truy n d n. ề ẫ
Truy n d n VLC, về ẫ ấn đề ề ế v k t n i quan trố ọng hơn tốc độ truy n d n, có ề ẫ nghĩa là các hệ ố th ng này ph i cung c p mả ấ ột cơ chế thích nghi v tề ốc độ truy n dề ẫn. Đặc tính này cho phép h thệ ống đáp ứng b n chả ất kênh động và topo mạng , cũng đƣa ra quan điểm s d ng nhi u ng dử ụ ề ứ ụng và đảm b o s ả ự tƣơng thích vớ ệ ối h th ng khác.
3.2 Phân tích đặc tính thành phần phát trong hệ thống VLC ứng dụng cho hệ thống ITS
3.2.1 Đặc điểm thiết bị phát của hệ thống ITS ứng dụng công nghệ VLC
H ệ thống VLC s d ng thi t b phát d a trên LED cho vi c truy n d n thông ử ụ ế ị ự ệ ề ẫ tin. Trong giao thông thông minh, thi t b phát ế ị là trên đèn tín hiệu giao thông dựa trên LED cùng thời điểm đƣợc s d ng cho vi c báo hiử ụ ệ ệu. Thêm vào đó, mộ ốt s LED c n thiầ ết để đƣa ra tầm nhìn (visibility) khoở ảng cách dài hơn và truyền d n ẫ d ữliệu để bao ph m t diủ ộ ện tích đƣờng rộng hơn dọc chi u dài cề ủa đƣờng. Kho ng ả bao ph r ng cho chi u sáng (light illumination) v i mong muủ ộ ế ớ ốn đƣa ra diện tích d ch v lị ụ ớn hơn, diện tích mà ở đó thông tin dữ u nhliệ ận đƣợc m t cách tin c y. Do ộ ậ đó, giống với các đặc tính chi u sáng ế ở môi trƣờng trong nhà, s chiự ếu sáng định hƣớng và đồng nh t tr nên quan tr ng. ấ ở ọ
3.2.2 So sánh LED cho chiếu sáng đèn đƣờng và cho đèn tín hiệu giao thông
Các thành ph n chi u sáng ầ ế ở đƣờng khác v i các thành phớ ần ở các đèn tín hi u giao thông. Thi t k t các LED cho chi u sáng toàn b ệ ế ế ế ộ đƣờng d ễ hơn các đèn tín hi u giao thông d a trên LED. Tệ ự uy nhiên, đèn tín hiệu giao thông d a trên LED ự có hi u qu v ệ ả ề giá thành hơn. Nhƣng sự ế k t h p giợ ữa các đèn tín hiệu giao thông cho đèn đƣờng và các đèn tín hiệu giao thông d a trên LED cung c p s ự ấ ự trao đổi thông tin không b ị gián đoạn và t n tồ ại ởkhắp m i ọ nơi trong suốt quá trình tham gia giao thông.
3.2.3 Các LED chiếu sáng đƣờng
i khái ni m c a chi u sáng không ch v i mong mu n v
Các LED đã thay đổ ệ ủ ế ỉ ớ ố ề
linh động. Công ngh chi u sáng d a trên LED, chi u sáng bán d n cho phép s ệ ế ự ế ẫ ự thay đổi chƣa từng có trong việc điều khi n ph b c xể ổ ứ ạ, cái mà điều ch nh cho các ỉ nhu c u c ầ ụ thể ừ t y t , chi u sáng nông nghi p, chiế ế ệ ếu sáng tàu vũ trụ, chi u sáng ế cho con ngƣờ ới v i nhu c u màu sầ ắc đặc bi t, chi u sáng cho loài vệ ế ật và cho các đối tƣợng ngh thuệ ật, cho nhà hát… Mạch điện áp th p, chuy n mấ ể ạch nhanh, và tƣơng thích v i các b ớ ộ điều khiển máy tính đƣợc k t n i cho phép các h ế ố ệthống chi u sáng ế thông minh v i s ớ ự ổn định đƣợc điều khi n b i ph n m m, chể ở ầ ề ức năng vận hành, s ự thích nghi, và ti t kiế ệm năng lƣợng. Các h ệthống nhƣ vậy đang nổi lên và tr thành ở cách m ng công ngh ạ ệ trong tƣơng lai gần. Chúng ta s tìm hi u mô hình chi u sáng ẽ ể ế để vùng ph chi u sáng lủ ế ớn hơn.
S s d ng LED b h n ch bự ử ụ ị ạ ế ởi các đèn tín hi u giao thông và các khu vệ ực công viên. LED hy vọng đƣợc tri n khai các ngu n sáng lể ở ồ ớn nhƣ chiếu sáng đèn đƣờng trong tƣơng lai cho phép truyền thông chất lƣợng cao. Chiếu sáng đƣờng s ử d ng LED có th giúp b ụ ể ỏ đi nhiều h ệ thống truy n thông, ví d ề ụ nhƣ các đèn hiệu h ng ngo i (infrared beacons). Vì chi u sáng s có th ồ ạ ế ẽ ể đƣợc s d ng cho truy n tin, ử ụ ề các năng lƣợng l n c n phớ ầ ải đƣợc s d ng hi u qu ử ụ ệ ả trong khi điều đó không thể thực hiện đố ới v i truy n thông vô tuy n và h ng ngoề ế ồ ại. Do đó nó đƣợc mong đợi để truy n tin s d ng d i thông r ng. ề ử ụ ả ộ
3.2.3.1 Mô hình LED chiếu sáng đèn đƣờng
Phân b ố chiếu sáng là m t hàm c a c a chi u cao c a mô hình phát x máy ộ ủ ủ ề ủ ạ phát hay góc của máy phát, trƣờng nhìn FOV (field of view), m t n a góc công suộ ử ất (half power angle) c a máy thủ u, độ nghiêng gi a máy phát và máy thu, kho ng cách ữ ả gi a máy phát và máy thu. ữ
Mô hình phát x ạ LED đƣợ ấc l y gần đúng nhƣ mô hình Lambertian. Ở đây, chúng ta xem xét m t bên cộ ủa đƣờng hai chi u và khoề ảng cách đề xu t gi a mấ ữ ỗi LED là 30 mét (hình 3.1). Phân b SNR dố ọc đƣờng cho các góc máy thu và FOV khác nhau cần đƣợc quan tâm và quan sát tốc độ ữ d u xung quanh 100 kbps là liệ hoàn toàn có th khi s d ng k thuể ử ụ ỹ ật chiếu sáng này.
Hình 3.1 Mô hình LED chi u sáng ế đèn đƣờng
Chiếu sáng đƣờng và truyền thông s d ng LED ánh sáng tr ng có th ử ụ ắ ể đƣợc thực hiện và đề xuất. Tuy nhiên, các đèn giao thông sử ụ d ng các thấu kính màu để t o ra các tín hiạ ệu đỏ, xanh lá cây và vàng. Do đó, báo hiệu giao thông yêu c u các ầ LED màu. Gần đây, nhiều thành ph trên th giố ế ới đã thay thế đèn tín hi u giao ệ thông thông thƣờng bằng đèn tín hiệu giao thông dựa trên LED. Trong tƣơng lai, nhi u thành ph khác s p t c th c hiề ố ẽ tiế ụ ự ện điều đó vì các đặc tính riêng bi t cệ ủa LED. Đó là: giá thành bả dƣỡo ng th p, kh ấ ả năng nhìn tốt hơn, tuổi th cao và tiêu ọ thụ ít năng lƣợng. Bên cạnh đó, LED còn cung cấp truy n d ề ữ liệu mà không b gián ị đoạn v i chớ ức năng báo hiệu, chúng cũng đƣa ra tầm nhìn xa tốt hơn và tiệ ợi hơn n l cho con ngƣời theo các chuẩn đèn tín hi u giao thông. Phệ ần dƣới đây, chúng ta sẽ xem xét ng n g n t m nhìn xa cắ ọ ầ ủa con ngƣời và các chu n cho t m nhìn cẩ ầ ủa đèn tín hi u giao thông. ệ
3.2.3.2 Tầm nhìn xa (visibility) của con ngƣời.
T m nhìn xa cầ ủa đèn tín hiệu giao thông là quan trọng cho điều khi n phể ƣơng tiện an toàn. Nó ph ụ thuộc vào nhi u y u t : màu sề ế ố ắc, cƣờng độ chi u sáng ế (luminous intensity) và phân b ố cƣờng độ chi u sáng. ế
Có hai tình huống:
- S ự khó khăn trong việc tách các tín hi u giao thông ệ - Khẳ năng phân biệt giữa các tín hiệu
Ngƣỡng khác bi t chói (LDT) là m t y u t mà quyệ độ ộ ế ố ết định t m nhìn th y c a ầ ấ ủ các v t th nói chung. Vậ ể ới con ngƣời để p nh n và nh n bi t m t v t thtiế ậ ậ ế ộ ậ ể, độ ọ r i (illuminance) c a v t th ủ ậ ể đó cần khác bi t so vệ ới độ ọ r i n n (background ề illuminance) và s khác bi t cự ệ ủa các độ ọ ầ r i c n ph i lả ớn hơn LDT để ắt ngƣờ m i có thể phân biệt đƣợc. LDT này b ị ảnh hƣởng b i các y u t ớ ế ố nhƣ khả năng nhìn của chủ thể, điều ki n tinh thệ ần, đặc tính c a v t thủ ậ ể, điều ki n chi u sáng trong t m ệ ế ầ nhìn c a mủ ắt…Có nghĩa là, điều ki n t m nhìn th y c a ệ ầ ấ ủ ngƣời lái có th b nh ể ị ả hƣởng r t l n b i th i ti t và th i gian. Các khía c nh này s ấ ớ ở ờ ế ờ ạ ẽ đƣợc xem xét ng n ắ g n b ng viọ ằ ệc xem xét cƣờng độchiếu sáng và phân b cho m t vài tiêu chu n. ố ộ ẩ
3.2.3.3 Cƣờng độ chiếu sáng, sự đồng nhất và phân bố
Có hai y u t ế ố chính xác định các yêu cầu cƣờng độ chiếu sáng (illuninance intensity) của tín hiệu ánh sáng:
- Độchói nền(background luminance) LB
- Khoảng cách d t ừ đó tín hiệu ánh sáng có th ể đƣợc nhìn thấy.
Có quan h tuy n tính giệ ế ữa độ chói n n ề LB và độ chói c a tín hi u ánh sáng ủ ệ s L c a mủ ột kích thƣớc cố đị nh: 1 S L C (3.1) Trong đó: C1là hằng s . ố
x Cƣờng độ sáng I (cd) Độ rọi (Illuminance) E (lx) Diện tích mặt đƣờng chiếu sáng (A) d Hình 3.2 Cƣờng độ chi u sáng ế
Cƣờng độ chi u sáng t t nh t c a ánh sáng mế ố ấ ủ ở ột đèn tín hiệu giao thông không ph ụthuộc vào với kích thƣớc:
2
S C
L
(3.2)
Trong đó: C2là h ng s và là góc khằ ố ối đối di n b i tín hi u ánh sáng. Vì ệ ở ệ thế b ng di n tích (A) c a tín hiằ ệ ủ ệu chia cho bình phƣơng khoảng cách t i tín hi u ớ ệ và cƣờng chiđộ ếu sáng là độ chói nhân v i di n tích: ớ ệ
2 A d (3.3) s I L A (3.4) Do đó: 2 2 1 C d (3.5)
Cƣờng độ chi u sáng (hình 3.2) là c n thi t cho m t tín hiế ầ ế ộ ệu ánh sáng đƣợc nhìn thấy ở khoảng cách cho trƣớc:
2
d B
I Cd L cd (3.6)
Trong đó: C là hằng số, Cd là Candela, đơn vị ủ c a cƣờng độ chi u sáng. ế t chói m t tr i và kho ng cách t
Cƣờng độ ối ƣu phụ thuộc vào độ ặ ờ ả ừ phƣơng tiệ ớn t i tín hiệu. Độ chói c a m t tr i là 10000 ủ ặ ờ cd m/ 2 ở điều ki n chu n. ệ ẩ
M t tín hiộ ệu ánh sáng đỏ đƣợc đề xuất 200 cd, đƣợc nhìn dƣới các điều kiện chuẩn, s ẽ đƣợc phát hi n nhanh chóng và vệ ớ ội đ tin cậy. Phƣơng trình liên quan:
2
2 6
d B
I E d L cd (3.7)
Trong đó: 2E 6đƣợ ấc l y cho h ng s C, d là kho ng cách, ằ ố ả LBlà độ chói c a n n. ủ ề V i h u h t các tín hi u, d i nhìn th y ít nh t phớ ầ ế ệ ả ấ ấ ải là 100m để cho phép điều ki n dệ ừng đỗ an toàn cho s d ch chuy n các ô ự ị ể tô ở 60km/h và với độ chiếu sáng c a ánh sáng m t tr i là 10000 cd/mủ ặ ờ 2. Dƣới các điều kiện này, cƣờng độ ối ƣu củ t a tín hiệu ánh sáng đỏ là 200cd, theo phƣơng trình (3.6). Giá trị 200cd cho tín hiệu ánh sáng đỏ (kích thƣớ 200mm) đƣợc nhìn dƣới các điềc u ki n chu n, là c n thi t ệ ẩ ầ ế ở m t góc l ch chu n (offset angle) t LOS c a xe c là 3ộ ệ ẩ ừ ủ ộ o. Khi góc tăng lên từ 3o, yêu c u v ầ ề cƣờng độ chiếu sáng cũng tăng theo quan hệ sau:
1.33
3
I I (3.8)
Do đó, công th c Fisher cho các yêu cứ ầu cƣờng độ chi u sáng c n thi t (xem ế ầ ế xét ánh sáng đèn nóng sáng incandescent lights) đƣợc đƣa ra bở- i công th c: ứ
Tuy nhiên, v i các tín hi u ánh sáng xanh lá cây và vàng c n mớ ệ ầ ột cƣờng độ chiếu sáng l n ớ hơn so với gƣờng độ chiếu sáng c a tín hiủ ệu ánh sáng đỏ (theo hi u ệ ứng Helmoholtz-Kohlrausch). Hi u ng Helmoholtz-Kohlrausch ệ ứ ảnh hƣởng khi kích thích màu (chromatic stimulus) xu t hiấ ện để có một độ chói (brightness) lớn hơn ộ m t kích thích c a ánh sáng tr ng vủ ắ ới cƣờng độ sáng. T s cỷ ố ủa cƣờng độ sáng c a kích thích màu, b ng vủ ằ ới độ chói đƣợc bi u di n là ể ễ B L/ . Ảnh thƣởng thay đổi bởi bƣớc sóng và s bão hòa, vự ới các ánh sáng đỏ và ánh sáng xanh bão hòa cao hơn có giá trị B L/ cao hơn ánh sáng vàng và xanh lá cây. Tuy nhiên, đề xu t g n ấ ầ đây nhất cho cƣờng độ ủ c a ánh sáng đỏ, vàng, xanh lá cây (R:Y:G) là (1:2.5:1.3).
3.2.3.4 Yêu cầu về cƣờng độ chiếu sáng cho các đèn giao thông dựa trên
LED
Phƣơng trình Fisher đƣợc đánh giá lạ ởi b i T ch c K thu t Giao thông ITE ổ ứ ỹ ậ VTCSH cho yêu c u v quang tr c cầ ề ắ ủa đèn tín hiệu giao thông d a trên LED. Mự ột loạt các việc đo đạc đƣợc th c hiự ện và đánh giá đƣa ra các chuẩn k ỹ thuật. ITE VTCSH sau đó đua ra phƣơng trình cho yêu cầu cƣờng độ chi u sáng nh nh t cho ế ỏ ấ