VLC 4.1.1 Mô tả hệ thống
Một hệ thống ITS đơn giản đƣợc mơ tả ở hình 4.1. Trung tâm điều khiển giao thơng lấy và phân tích các thơng tin có ích. Sau khi xử lý thơng tin giao thơng thực, các bản tin có ích sẽ đƣợc truyền qua đèn giao thông LED để đến máy thu ở phƣơng tiện. Photodiode là các các camera tốc độ cao có thể xử lý các tín hiệu quang và tập hợp các dữ liệu đƣợc sử dụng ở một máy thu. Ở trong hệ thống hình 4.1, đèn tín hiệu giao thơng có chức năng là máy phát và đèn nằm trên ơ tơ có chức năng là máy thu.
77
thơng chỉ có một LED. Ở hình 4.1, chúng ta giả sử đèn tín hiệu giao thơng LED
đang ở chỗ giao cắt nơi mà ô tô đang nhận tín hiệu giao thơng. Chiều cao của đèn tín hiệu giao thơng. Chiều dài tay của đèn tín hiệu giao thơng đƣợc giả sử là 0 và
tọa độ vị trí của nó là (x,y,z) của nó đƣợc giả sử là (0,0,h). Các tham số của mô phỏng ITS đƣợc đƣa ra ở bảng 4.1 cho các mơ phỏng máy tính
.Các tham số Ý nghĩa và giá trị
h Độ cao của đèn giao thông biểu diễn ở trục y
z Khoảng cách từ chân đèn giao thông đến phƣơng tiện
ở
làn 1
W Độ rộng của làn
x Khoảng cách từ chân đèn giao thông đến phƣơng tiện
ở làn 1 d hpa FOV hc Bảng 4.1 Tham số mơ phỏng
Vị trí của một PD đƣợc đặt ở tọa độ (x,y,0) ở đó x là khoảng cách theo hƣớng
hƣớng nằm ngang và y là khoảng cách theo hƣớng dọc đƣờng. Chiều cao của
Thêm vào đó góc tƣơng ứng với máy phát là
Thêm vào đó, khu vực dịch vụ ở hình 4.1 là một khu vực truyền tin cung
cấp ngƣỡng SNR để đạt BER mong muốn.
Ở phần này ta sẽ mô phỏng công suất quang đầu ra theo các tọa độ
(x,y,z) thay đổi nghĩa là theo vị trí của phƣơng tiện. Đồng thời mơ phỏng tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR của hệ thống theo các tọa độ (x,y,z) Từ đó đánh giá đƣợc chất lƣợng của hệ thống ITS dựa trên công nghệ VLC
4.1.2 Mô phỏng độ lợi lan truyền quang.
Các tín hiệu quang nói chung lan truyền theo hai đƣờng. Một đƣờng là một
đƣờng khơng cịn vật cản LOS giữa máy phát và máy thu và đƣờng khác dựa trên
sự phản xạ ánh sáng từ một bề mặt phản xạ. Bởi vì các tín hiệu quang nhận đƣợc từ LOS là mạnh nhất, chúng ta coi nhƣ gần đúng đƣờng suy hao là đƣờng suy hao LOS. Trong một mơ hình ITS mơ phỏng nhƣ hình 4.1, các đèn tín hiệu giao thông chiếu thẳng xuống. Nếu chúng ta bỏ qua các hiệu ứng che khuất (shadowing) gây ra bởi các vật cản giữa máy phát và máy thu, đƣờng truyền quang LOS có thể đƣợc tính tốn từ mơ hình Lambertian nhƣ đã phân tích ở chƣơng 3. Mơ hình này chỉ ra ánh sáng lan truyền nhƣ thế nào ở bên ngoài từ một nguồn sáng. Độ lợi dòng một chiều trực tiếp của kênh LOS đƣợc tính theo cơng thức:
79
2 8 kT thermal
k
g
Trong đó: d là khoảng cách truyền dẫn, A là vùng lộ sáng của PD. Ở đó, m là bậc tƣơng ứng với một nửa góc phát xạ hpa:
m
ln
Một bộ lọc quang thƣờng làm suy giảm các nhiễu ánh sáng xung quanh và một bộ tập trung đƣợc thực hiện để đạt đƣợc một độ lợi quang hiệu quả mà khơng tăng diện tích lộ sáng của PD. Cả bộ lọc quang và bộ tập trung đều đƣợc
nằm trong PD, và dựa trên phƣơng trình (4.3) và độ lợi kênh một chiều. Cơng
suất quang đầu ra Pr đƣợc tính tốn nhƣ sau:
P r
ở đó Pt là cơng suất quang phát; Ts
trung quang:
Trong đó: n là chỉ số khúc xạ vật liệu,
Photodiode tốc độ cao đƣợc thiết kế để nhận một độ lợi G lớn với sự trả giá là góc FOV nhỏ lại. thêm vào đó, các ứng dụng thực tế cần cơng suất LED lớn hơn 1W, do đó triển khai đèn tín hiệu giao thông LED với công suất phát 1.2W
nhƣ trong mô phỏng. Các tham số khác đƣợc liệt kê ở bảng 4.3
Tham số
Cơng suất phát quang Pt Góc một nửa cơng suất hpa
Số LED Bậc của phát
xạ
Độ lợi của bộ
tập trung G Chiều cao của
đèn tín hiệu h Độ rộng của
làn
Bảng 4.2 Các đặc tính của đèn giao thơng dựa trên LED và photodiode tốc độ cao.
Dựa trên mơ hình ITS ở hình 4.1 và các tham số mô phỏng ở bảng 4.1 và bảng 4.2, kết quả mô phỏng về phân bố của công suất quang nhận đƣợc đƣợc đƣa ra
ở hình 5.2 qua cơng thức (4.5).
4.1.3 Mơ phỏng tỷ số SNR dƣới tác động của nhiễu
Nhiễu ánh sáng nền tồn tại nhƣ là một giới hạn chính cho truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao trong hệ thống VLC. Bởi vì ở phía thu, photodiode nhận cả các tín hiệu quang và các tín hiệu chiếu sáng tự nhiên và nhân tạo không mong muốn.
Xem xét các thành phần của bộ thu, một bộ khuếch đại quang, một bộ lọc thơng dải và photodiode Pin hình thành một loại photodiode tốc độ cao. Một PIN
PD đƣợc đề xuất cho các ứng dụng ngồi trời vì khả năng chuyển mạch nhanh. Thêm vào đó chúng ta xây dựng một trở kháng transitor dựa trên FET (low-noise
feld effect transitor) ở bộ tiền khuếch đại. Vì thế, cả nhiễu nổ và nhiễu nhiệt có thể
81
2
shot
Ở đó:
Độ lợi của điện áp vịng hở, (g) Điện dung cố định
Độ dẫn của FET (gm) Hệ số băng thông nhiễu (I2) Hệ số băng thông nhiễu (I3) Hệ số nhiễu kênh FET ( Tốc độ dữ liệu (B)
Hằng số Bolzman (k)
Nhiệt độ tuyệt đối (Tk)
Đáp ứng của PD ( )
Hệ số nhiễu kênh của FET Bậc của mơ hình Lambertan (m)
Dịng nhiễu nền nhận đƣợc
Điện tích (q)
Bảng 4.3 Các tham số cho tính tốn SNR
Phƣơng sai của nhiễu tổng đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
2 2 2
total thermal shot
(4.9) Ở đây ta sử dụng điều chế OOK trong hệ thống VLC, với một kênh AWGN. Do đó, ở phía máy thu ta nhận đƣợc tỷ số tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu điện là:
SNR
Giá trị BER đƣợc tính theo cơng thức
BER Q SNR Q( P
r )
total
Ở đó hàm Q(x) là hàm Q đƣợc sử dụng để tính xác suất của phân bố
Gauss và đƣợc tính bằng:
Q(x)
4.2 Kết quả mơ phỏng và phân tích.
4.2.1 Phân bố cơng suất ở phía thu
Các giá trị tọa độ x và y là hàm của bậc lambertian m nên ta có tọa độ là x(m) và y(m).
Từ kết quả mô phỏng ta thấy tổn hao đƣờng truyền quang tăng với khoảng cách. Với khoảng 3m của trục x, chúng ta thấy rằng một diện tích nơi mà cơng
suất quang nhận đƣợc thấp hơn bởi vì diện tích này ra khỏi góc rọi của các ánh sáng đèn LED.
Chú ý rằng BER ít nhất là 10-6 là đƣợc mong muốn trong hệ thống thơng tin
quang vơ tuyến thành cơng để duy trì một đƣờng truyền quang tin cậy. Trong khi
mở rộng khoảng cách truyền dẫn dữ liệu chắc chắn giảm công suất quang nhận
đƣợc, các kỹ thuật thỏa mãn BER và thậm chí với một SNR nhỏ nên đƣợc phát
triển.