Chiếu sáng đƣờng và truyền thông sử dụng LED ánh sáng trắng có thể đƣợc thực hiện và đề xuất. Tuy nhiên, các đèn giao thơng sử dụng các thấu kính màu để tạo ra các tín hiệu đỏ, xanh lá cây và vàng. Do đó, báo hiệu giao thơng u cầu các LED màu. Gần đây, nhiều thành phố trên thế giới đã thay thế đèn tín hiệu giao thơng thơng
thƣờng bằng đèn tín hiệu giao thơng dựa trên LED. Trong tƣơng lai, nhiều thành phố
khác sẽ tiếp tục thực hiện điều đó vì các đặc tính riêng biệt của LED. Đó là: giá thành
bảo dƣỡng thấp, khả năng nhìn tốt hơn, tuổi thọ cao và tiêu thụ ít năng lƣợng. Bên
cạnh đó, LED cịn cung cấp truyền dữ liệu mà khơng bị gián đoạn với chức năng báo
hiệu, chúng cũng đƣa ra tầm nhìn xa tốt hơn và tiện lợi hơn cho con ngƣời theo các
chuẩn đèn tín hiệu giao thơng. Phần dƣới đây, chúng ta sẽ xem xét ngắn gọn tầm nhìn xa của con ngƣời và các chuẩn cho tầm nhìn của đèn tín
hiệu giao thơng.
3.2.3.2 Tầm nhìn xa (visibility) của con ngƣời.
Tầm nhìn xa của đèn tín hiệu giao thơng là quan trọng cho điều khiển phƣơng tiện an tồn. Nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố: màu sắc, cƣờng độ chiếu sáng (luminous intensity) và phân bố cƣờng độ chiếu sáng.
57
(illuminance) của vật thể đó cần khác biệt so với độ rọi nền (background illuminance) và sự khác biệt của các độ rọi cần phải lớn hơn LDT để mắt ngƣời có thể phân biệt đƣợc. LDT này bị ảnh hƣởng bới các yếu tố nhƣ khả năng nhìn của chủ thể, điều kiện tinh thần, đặc tính của vật thể, điều kiện chiếu sáng trong tầm nhìn của mắt…Có nghĩa là, điều kiện tầm nhìn thấy của ngƣời lái có thể bị ảnh hƣởng rất lớn bởi thời tiết và thời gian. Các khía cạnh này sẽ đƣợc xem xét ngắn gọn bằng việc
xem xét cƣờng độ chiếu sáng và phân bố cho một vài tiêu chuẩn.
3.2.3.3 Cƣờng độ chiếu sáng, sự đồng nhất và phân bố
Có hai yếu tố chính xác định các yêu cầu cƣờng độ chiếu sáng (illuninance intensity) của tín hiệu ánh sáng:
- Độ chói nền(background luminance) LB
- Khoảng cách d từ đó tín hiệu ánh sáng có thể đƣợc nhìn thấy.
Có quan hệ tuyến tính giữa độ chói nền LB và độ chói của tín hiệu ánh sáng
Ls của một kích thƣớc cố định:
LS
Trong đó: C1 là hằng số.
58
z Nguồn phát y Cƣờng độ sáng d I (cd) x Diện tích mặt đƣờng chiếu sáng (A) Độ rọi (Illuminance) E (lx) Hình 3.2 Cƣờng độ chiếu sáng
Cƣờng độ chiếu sáng tốt nhất của ánh sáng ở một đèn tín hiệu giao thơng
khơng phụ thuộc vào với kích thƣớc:
Trong đó: C2 là hằng số và
thế bằng diện tích (A) của tín hiệu chia cho bình phƣơng khoảng cách
và cƣờng độ chiếu sáng là độ chói nhân với diện tích:
Do đó:
Cƣờng độ chiếu sáng (hình 3.2) là cần thiết cho một tín hiệu ánh sáng đƣợc nhìn thấy ở khoảng cách cho trƣớc:
I d Cd 2LB cd
Trong đó: C là hằng số, Cd là Candela, đơn vị của cƣờng độ chiếu sáng.
Cƣờng độ tối ƣu phụ thuộc vào độ chói mặt trời và khoảng cách từ phƣơng
tiện tới tín hiệu. Độ chói của mặt trời là 10000 cd / m2 ở điều kiện chuẩn.
Một tín hiệu ánh sáng đỏ đƣợc đề xuất 200 cd, đƣợc nhìn dƣới các điều kiện chuẩn, sẽ đƣợc phát hiện nhanh chóng và với độ tin cậy. Phƣơng trình liên quan:
I
d
2E 6d2L cd
B
Trong đó: 2E 6 đƣợc lấy cho hằng số C, d là khoảng cách, LB là độ chói của nền.
Với hầu hết các tín hiệu, dải nhìn thấy ít nhất phải là 100m để cho phép điều kiện dừng đỗ an toàn cho sự dịch chuyển các ô tô ở 60km/h và với độ chiếu
sáng của ánh sáng mặt trời là 10000 cd/m2. Dƣới các điều kiện này, cƣờng độ tối
ƣu của tín hiệu ánh sáng đỏ là 200cd, theo phƣơng trình (3.6). Giá trị 200cd cho tín
hiệu ánh sáng đỏ (kích thƣớc 200mm) đƣợc nhìn dƣới các điều kiện chuẩn, là cần
thiết ở một góc lệch chuẩn (offset angle) từ LOS của xe cộ là 3o. Khi góc tăng lên
từ 3o, yêu cầu về cƣờng độ chiếu sáng cũng tăng theo quan hệ sau:
I I 3
Do đó, công thức Fisher cho các yêu cầu cƣờng độ chiếu sáng cần thiết
(xem xét ánh sáng đèn nóng sáng-incandescent lights) đƣợc đƣa ra bởi công thức:
60
Tuy nhiên, với các tín hiệu ánh sáng xanh lá cây và vàng cần một cƣờng độ chiếu sáng lớn hơn so với gƣờng độ chiếu sáng của tín hiệu ánh sáng đỏ (theo hiệu
ứng Helmoholtz-Kohlrausch). Hiệu ứng Helmoholtz-Kohlrausch ảnh hƣởng khi
kích thích màu (chromatic stimulus) xuất hiện để có một độ chói (brightness) lớn
hơn một kích thích của ánh sáng trắng với cƣờng độ sáng. Tỷ số của cƣờng độ
sáng của kích thích màu, bằng với độ chói đƣợc biểu diễn là B/ L . Ảnh thƣởng thay
đổi bởi bƣớc sóng và sự bão hịa, với các ánh sáng đỏ và ánh sáng xanh bão hịa
cao hơn có giá trị B/ Lcao hơn ánh sáng vàng và xanh lá cây. Tuy nhiên, đề xuất gần đây
nhất cho cƣờng độ của 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 thơng dựa trên LED
Phƣơng trình Fisher đƣợc đánh giá lại bởi Tổ chức Kỹ thuật Giao thông ITE
VTCSH cho yêu cầu về quang trắc của đèn tín hiệu giao thông dựa trên LED. Một loạt các việc đo đạc đƣợc thực hiện và đánh giá đƣa ra các chuẩn kỹ thuật. ITE
VTCSH sau đó đua ra phƣơng trình cho yêu cầu cƣờng độ chiếu sáng nhỏ nhất cho các ánh sáng đèn giao thông dựa trên LED nhƣ ở các cơng thức từ (3.10) đến (3.14):
I
Trong đó, với tất cả các giá trị horiz
I
vert f Ivert 0.26 Trong đó: I(-2,5,0)= Màu Đỏ Vàng Xanh
3.2.4 LED cho đèn tín hiệu giao thơng
Các đèn tín hiệu giao thơng dựa trên LED có nhiều đặc điểm riêng biệt nhƣ
tầm nhìn tốt hơn, giá thành bảo dƣỡng thấp, tuổi đời dài và tiết kiệm năng lƣợng. Có
hai kích thƣớc chuẩn chính của các đèn tín hiệu giao thơng: 200mm và 300mm đƣờng kính. Hệ thống đèn tín hiệu giao thơng dựa trên LED bao gồm nhiều LED, hàng trăm HB-LED đƣợc phân bố trong khơng gian. Khoảng cách của tầm nhìn cũng nhƣ truyền dẫn tín hiệu sẽ tăng lên với cƣờng độ chiếu sáng.
Khái niệm cƣờng độ chỉ áp dụng cho các điểm nguồn (point sources). Sự phát xạ bắt nguồn từ một nguồn mà các chiều của nó bị bỏ qua so với khoảng cách
vào hình dạng vùng bán dẫn và chất bao.
Một phân bố bức xạ thực tế gần đúng đƣợc biểu diễn theo phƣơng trình sau:
Trong đó: là góc nhìn; E
dịng phát quang (luminous fux) (lm) ở trục ở khoảng cách d tới LED.
Hình 3.3 Nguồn phát Lambertian
Giá trị m phụ thuộc vào vị trí tƣơng đối của vùng LED phát xạ với tâm cong (curvature center) của đƣờng bao cầu. Nếu vị trí chip trùng với vị trí tâm cong, m
diễn: Hay: 0.3 0.2 0.1 0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Ф (radian) Hình 3.4 Mơ hình bức xạ: Hàm của m và 64 download by : skknchat@gmail.com
Đặc biệt, các LED với hpa là 150 và 450 đƣợc sử dụng. Nguồn phát LED đƣợc mơ hình sử dụng mơ hình phát xạ Lambertian nói chung
Giả sử Pt là công suất phát, cƣờng độ bức xạ đƣợc biểu diễn bởi:
với
R ,m
E
2 2
Hình 3.4 biểu diễn tọa độ cực cho các số mode khác nhau của búp sóng bức xạ.
Rõ ràng, khi m tăng lên tính định hƣớng của mơ hình cũng tăng lên.
3.2.4.2 Mơ hình nguồn phát đèn tín hiệu giao thơng dựa trên LED.
Để mơ hình đèn tín hiệu giao thơng nhƣ nguồn phát, chúng ta thƣờng phải sử dụng nhiều LED cƣờng độ chiếu sáng cao giá thành thấp. Tuy nhiên, có nhiều loại LED khác nhau với các đặc tính khác nhau theo khía cạnh cƣờng độ, nửa góc cơng suất-hpa, kích thƣớc và giá thành.
Thơng thƣờng, các LED thơng thƣờng và HB-LED có 3 đƣờng kính: 3mm, 5mm và 8mm. LED 5mm đƣợc xem xét vì tính lợi ích rộng rãi. Diện tích của một LED là
gần 19.63mm2, các LED thơng thƣờng có các giá trị cƣờng độ sáng (lumen-
brightness) rất nhỏ với bậc ít hơn 1, nói chung đƣa ra mili Candela (mcd). Do đó, chugns ta sẽ cần một lƣợng lớn các LED nhƣ vậy để đạt đƣợc vài chục lumnen tổng. Ngồi ra, diện tích của các đèn giao thơng có sẵn nó khơng đủ để chứa hàng nghìn LED thậm chí khơng xem xét đến các ràng buộc về chế tạo. Do đó, có hai sự lựa chọn: sử dụng HB-LED để cung cấp cƣờng độ vài lumen nhƣng tính định hƣớng cao, và LED cơng suất (power LED) cung cấp vài chục lumen và các góc nhìn rộng. Hai loại LED với các tiêu chuẩn kỹ thuật đƣợc đƣa ra ở bảng 3.2 [4].
65
Bảng 3.2 So sánh các loại LED
Hai sự khác nhau chính đƣợc tìm thấy ở cả giá thành và độ tin cậy. LED công suất thƣờng có góc nhìn rộng và do đó thấu kính trở nên cần thiết để có
đƣợc mơ hình phát xạ thích hợp. Các thấu kính rất đắt so với LED. Mặt khác,
HB-LED vơi các góc nhìn nhỏ hơn có thể đƣợc sử dụng khơng có thấu kính. Do đó
sử dụng LED công suất cho đèn giao thông sẽ đắt hơn HB-LED.
Hình 3.5 Mơ hình kết nối của 370 HB-LED
Sự khác biệt chính khác là độ tin cậy. Với ví dụ ở hình 3.5, mỗi nhánh có 10LED. Nếu mỗi LED cơng suất hỏng, đèn tín hiệu giao thông mất đi gần 350lm
ảnh hƣởng khoảng bao phủ. Tuy nhiên, nếu một trong những HB-LED hỏng, đèn
tín hiệu giao thơng sẽ mất 64lm, sẽ ít ảnh hƣởng nghiêm trọng hơn so với LED cơng suất. Do đó, sử dụng HB-LED nâng cao độ bền vững cho đền giao thơng, ít suy
Hình 3.6 Mơ hình kết nối của 69 Power LED
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 trịn 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 vòng 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