Thêm vào đó, phân bố độ chiếu sáng của HB-LED có thể đƣợc gia tăng với đèn tín hiệu giao thơng báo hiệu dựa trên góc nhìn. Ở hình 3.7 biểu diễn phân
bố độ sáng của HB-LED và Power LED. Do đó, khu vực dịch vụ cho truyền dẫn dữ liệu có thể tăng lên. Khu vực dịch vụ là khu vực bao phủ dọc đƣờng mà ở đó
dữ liệu mong muốn nhận đƣợc tin cậy.
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Hình 3.7 Phân bố độ sáng 67 download by : skknchat@gmail.com
Vì thế các mơ hình cho các ánh sáng đèn giao thơng dựa trên LED cho việc
tói ƣu phân bố chiếu sáng là một vấn đề quan trọng.
3.2.4.3 Phân loại ma trận LED cho nguồn phát VLC
Có nhiều quy ƣớc cho việc các LED có thể đƣợc sắp xếp cho chiếu sáng và báo hiệu ví dụ nhƣ ma trận vng, ma trận tam giác, ma trận vịng đƣợc đƣa
ra ở hình 3.8 a,b và c. Và 3.9 c,d,e Tuy nhiên, các sự sắp xếp tạo ra một giới
hạn thấp hơn và cao hơn ở số lƣợng LED đƣợc sử dụng. Ví dụ, với mơ hình vng, phải có ít nhất 4 LED và số lƣợng LED lớn nhất phải biết trƣớc cho một
kích thƣớc của đèn giao thông. Hơn nữa ma trận vuông thƣờng sử dụng cho chiếu
sáng và sự bức xạ đồng nhất qua một diện tích bao phủ lớn hơn. Tuy nhiên, ở các ứng dụng của các đèn giao thơng, ma trận vịng trịn thƣờng đƣợc ƣa chuộng
và sử dụng. Mặc dù có nhiều sự sắp xếp đƣợc nghiên cứu và phân tích, mơ
hình vịng sử dụng tốt hơn. Vì thế chúng ta sẽ phân tích một mơ hình phù hợp
cho đèn tín hiệu giao thơng bao gồm các ma trận vịng của các LED.
Mơ hình ma trận vng
Hình 3.8 .a.Vng; b. Tam giác
Mơ hình ma trận vịng trịn (Curcular Ring Array Pattern)
68
Sự sắp đặt đƣợc đƣa ra ở hình 3.9 c,d,e. Tuy nhiên, với sự sắp xếp phân bố bức xạ cũng tăng khi di chuyển xa các điểm dọc trục. Nhƣng để giữ phân bố chiếu sáng là lớn nhất trên hƣớng dọc trục trong khi giảm phân bố chiếu sáng đối với cá
đƣờng biên cần một phƣơng pháp khác.
Hình 3.9 (c)Vịng trịn; (d) Ma trận vịng đồng tâm; (e) Vòng tròn đồng tâm với
một LED ở trung tâm
69
Hình 3.10 .(a). Đặt 370 LED trong 12 vịng tròn đồng tâm với phần trăm chiếm chỗ gần bằng nhau dọc đƣờng bao. (b) Đặt 370 LED ở 12 vòng tròn đồng tâm với
100% chiếm chỗ ở một nửa số vịng trong và giảm sự chiếm chỗ ở các vịng ngồi trong khi giữ nguyên số LED ở các vịng ngồi nhƣ là ở vòng giữa Ở phƣơng pháp này, giữ 100% sự chiếm chỗ ở các vòng trong (một nửa số
vòng) trong khi giảm tỷ lệ chiếm chỗ ở các vịng ngồi cịn lại bằng cách duy trì cùng số LED nhƣ là ở vịng giữa. Ví dụ, nếu có 13 vịng (12 vịng và 1 LED trung
tâm) đồng tâm; 6 vòng đầu tiên từ 1đến 6 chiếm chỗ 100% trong khi các vịng từ 7-
13 sẽ có cùng số LEDs nhƣ ở vịng 6. Nhƣ ở hình 3.10.b. Phƣơng pháp thứ hai cho hiệu quả phân bố chiếu sáng tốt hơn với các ứng dụng đèn giao thông trên đƣờng.
3.2.4.4 Mơ hình nguồn phát VLC đèn tín hiệu giao thơng dựa trên LED.
Các hệ thống đèn tín hiệu giao thơng dựa trên LED có thể bao gồm nhiều HB-LED đƣợc phân bố trong không gian. Khoảng cách của truyền dẫn tín hiệu sẽ
tăng với cƣờng độ. Mặc dù các LED công suất cao hiện đại cung cấp tới 120 lm trên
một thiết bị, một vài LED riêng lẻ phải đƣợc đƣa lên bảng điện để đạt đƣợc các cơng suất thực tế. Do đó, ở khoảng cách làm việc, cả mơ hình quang học và các đặc tính thực tế của một nguồn sáng phải đƣợc biểu diễn theo các cách khác nhau.
Phƣơng pháp nguồn sáng trƣờng xa (far field point source approach) là mơ hình đơn
70
x
d
Target (x, y, z)
Hình 3.11 Mơ tả LED và sự chiếu sáng
Ma trận LED với các nguồn rời rạc
Xem xét một LED ở vị trí tọa độ (x0, y0 ,0) qua một mặt phẳng nhƣ hình 3.6, ở trục tọa độ Đecac (x, y, z) ; mục tiêu hay phía thu ở tọa độ (x, y, z) và ns biểu diễn
hƣớng của nguồn. Từ hình vẽ ta có: cos đó: ns . d là tích có hƣớng của vector và: 71
Trong đó: E(0) là sự bức xạ của LED lên trục.
Phƣơng trình (3.20) có thể viết lại
3.3 Mơ hình kênh
Hệ thống VLC cho ứng dụng ngoài trời yêu cầu lan truyền LoS. Đặc tính lan truyền của VLC thay đổi đáng kể theo môi trƣờng truyền tin, đặc biệt sự ảnh
hƣởng của các điều kiện thời tiết rất mạnh và vì các nhiễu (interference) gây ra
bởi các nguồn sáng khác. Công suất tín hiệu thu thay đổi theo sự thay đổi của thời tiết nhƣ mƣa, bão…trong kênh lan truyền, trong khi các nguồn sáng khác làm giảm cƣờng độ tín hiệu mong muốn. Thêm vào đó, các đặc điểm truyền tin
thay đổi theo mùa, thời gian và khu vực.
Do đó, cần phải đánh giá độ sẵn sàng (availability) của hệ thống thông tin
quang vô tuyến dƣới các điều kiện môi trƣờng khác nhau. Ở luận văn giới hạn với
trƣờng hợp LoS. Trong hầu hết các kịch bản liên quan cho ứng dụng cụ thể.
Vấn đề: tính tốn độ lợi kênh (channel DC gain) hay suy hao cho đƣờng truyền
LoS.
Hình 3.12 mơ tả mơ hình truyền thơng tin giữa một đèn tín hiệu giao thơng
(đƣợc coi là nguồn phát) và một phƣơng tiện ô tô ( đƣợc coi là máy thu).
72
Tx: đèn tín hiệu
giao thơng dựa
trên LED (x i x y h n r FO V i α Rx: PD tốc độ cao
Hình 3.12 Mơ hình kênh truyền giữa đèn tín hiệu giao thơng và phƣơng tiện
Giả sử sự định hƣớng của máy thu (orientation of the receiver) là tƣơng ứng với chuẩn và i là góc tới (angle of incidence) trong khi i là góc bức xạ (angle of
irradiance). Công suất quang nhận đƣợc ở PD với diện tích có ích (active area) là Ad
ở khoảng cách giữa máy phát và máy thu là d đƣợc tính bởi:
Góc
Hai véc tơ ns
thu. Hàm rect biểu diễn giới hạn lên trƣờng nhìn FOV là
Khi máy phát là một ma trận trịng của các LED, cơng suất quang đƣợc
đƣa ra bởi hai tổng. Trong trƣờng hợp này, d, và phụ thuộc vào vị trí của mỗi
LED trong ma trận. Khoảng cách trực tiếp di giữa mỗi LED trong nguồn phát và máy tách sóng là:
di (x xi, y yi h, z)
Bức xạ tổng từ đèn tín hiệu giao thơng gồm một ma trận LED qua đƣờng LoS là:
ET (x, y,z) Ad E(0)
Nếu chúng ta coi máy thu phát ra mơ hình phát xạ dọc trục đối xứng đƣợc
tƣơng ứng với máy phát tạo ra một giá trị bức xạ (irradiance (W/ cm2 )) là IS (d) PtR0 / d2 . Công suất đƣợc tách sóng và đƣợc nhận bởi PD với một diện
tích hiệu dụng (effective area) A đƣợc đƣa ra bởi P I
( d, ). A , ở đó là
eff r S eff
góc tới (incidence angle). Đáp ứng tần số của các kênh VLC tƣơng đối phẳng gần
nhƣ 1 chiều (DC), vì thế các kênh đƣợc đặc trƣng bởi hàm H(0) đƣợc đƣa ra bởi
H 0
LOS H(0)=0 với
Trong đó: Ad là vùng tách sóng (detector area), TS là độ lợi bộ lọc quang (optical filter gain), và g là độ lợi của bộ tập trung quang (optical concentrator) ( nếu sử dụng).
Với một máy phát bao gồm một ma trận LED, độ lợi kệnh LoS là:
:
H (x, y,z) Ad P( t)Ts
Nếu diện tích của bộ tách sóng, tổng cơng suất phát, độ lợi của bộ lọc và
độ lợi của bộ tập trung đều đƣợc chuẩn hóa thành 1 thì suy hao trên kênh qua
khoảng cách có thể đƣợc vẽ ở hình 3.13. Đ Ộ L Ợ I C Ủ A K Ê N H (d B ) KHOẢNG CÁCH (m)
Hình 3.13. Độ lợi kênh qua khoảng cách
Hình 3.13 cho thấy một máy thu có độ lợi ở xung quanh 56 dB sẽ là cần thiết cho truyền dữ liệu qua khoảng cách 100m, bỏ qua ảnh hƣởng của nhiễu. Tuy nhiên nhiễu, đặc biệt là các ánh sáng từ các nguồn tự nhiên và nhân tạo làm suy giảm
cƣờng độ tín hiệu lan truyền qua kênh quang vô tuyến. Chúng cũng gây ra giao thoa
(interference) cho tín hiệu mong muốn. Phần nhiễu sẽ đƣợc xem xét và thảo luận ở chƣơng 4 trong phần mô phỏng hệ thống và đánh giá kết quả.
3.4 Kết luận chƣơng
Trong truyền thông VLC, kết nối (connectivity) quan trọng hơn tốc độ truyền dẫn (transmission rate), điều đó làm cho các hệ thống này phải đƣợc cung cấp các cơ chế thích nghi về tốc độ truyền dẫn (transmission rate adaption mechanisms). Đặc tính này cho phép hệ thống đáp ứng lại topo mạng và bản chất động của kênh, nó cũng đƣa ra viễn cảnh có nhiều ứng dụng và đảm bảo tính
tƣơng thích với các hệ thống khác đang tồn tại.
76
n ging thôngthông a gthờithời ii t a h n thựcc ự y W d h h2 Rx: PD tốc độ cao (x,y,z) (service
Hình 4.1 Mơ hình hệ thống ITS đơn giản ứng dụng công nghệ
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 thông tin giao thông thực, các bản tin có ích sẽ đƣợc truyền qua đèn giao thơng 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 ơ tơ 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 Mơ 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 thơng 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. Công
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 công suất LED lớn hơn 1W, do đó triển khai đèn tín hiệu giao thơng LED với công suất phát 1.2W
nhƣ trong mô phỏng. Các tham số khác đƣợc liệt kê ở bảng 4.3
Tham số
Công 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 mơ 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 thông 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 thông 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