Hạ tầng truyền thông ITS bao gồm các thành phần hệ thống ITS con và thƣờng là một cổng kết nối trạm ITS (ITS station) với các hệ thống khác. Các phƣơng tiện yêu cầu một cổng phƣơng tiện kết nối với trạm phƣơng tiện (vehicle station) và tới các mạng phƣơng tiện thuộc sở hữu của các công ty. Các thành phần này đƣợc kết nối trong bởi một mạng truyền thông. Sự kết nối giữa thành phần hệ thống phƣơng tiện con và thành phần hệ thống di động con đƣợc thực hiện qua một mơi trƣờng khơng dây ngắn hoặc kết nối có dây. Tƣơng tự nhƣ vậy, các hệ thống thông tin
phƣơng tiện tƣơng tác với các RSU mà các RSU này bao gồm các hệ thống thông
tin và các mạng truy nhập. Các router điểm truy cập (routers access point), các tín
45
hiệu và các cổng thơng báo thay đổi chịu trách nhiệm cho việc đƣa ra việc kết nối dữ liệu thông tin giữa các thành phần di động (phƣơng tiện) và Internet. Tuy nhiên các hệ thống vô tuyến khơng có hiệu quả về giá. Nó rất khó để dựa trên
các điểm không dây dọc đƣờng ở các khoảng cách nhỏ.
2.3.3 So sánh giữa hệ thống VLC và hệ thống vô tuyến
Luật vô tuyến (radio law) giới hạn việc sử dụng miễn phí sóng vơ tuyến trong việc truyền dẫn vô tuyến. Mặt khác, VLC không yêu cầu sự cấp phép ở thời điểm
hiện tại. Cũng nhƣ vậy, theo băng tần giới hạn, phổ tần số vô tuyến trở nên ngày
càng tắc nghẽn. Nói tóm lại, truyền thông vô tuyến không dây gặp phải một số vấn
đề mặc dù đƣợc áp dụng rộng rãi ở mạng tế bào và mạng cục bộ LAN.
Công suất truyền dẫn điện khơng thể đƣợc tăng bởi vì ảnh hƣởng có hại tới sức khỏe con ngƣời.
Vì giới hạn sóng vơ tuyến, dải tần số và sự cấp phép bị tắc nghẽn. Các vấn đề của sóng vơ tuyến đƣợc giảm thiểu hiệu quả bởi VLC.
Một hệ thống VLC có thể tiêu thụ ít năng lƣợng hơn hệ thống vô tuyến, cho phép mở rộng các mạng truyền thông mà không thêm vào các yêu cầu về
năng lƣợng và giảm sự phát xạ ra carbon về lâu dài. Công nghệ xanh này phát
triển nhƣ là một công nghệ thân thiện môi trƣờng đƣợc sử dụng trong ITS. So sánh với truyền thơng sóng vơ tuyến, hệ thống VLC có các ƣu điểm sau:
Khơng có u cầu cấp phép cho việc sử dụng
Khơng có nguy hiểm bức xạ sóng vơ tuyến, ánh sáng nhìn thấy an tồn với con ngƣời.
Dải băng thơng rộng, cho phép truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao
Tiêu thụ công suất thấp- hầu hết công suất đƣợc sử dụng cho việc báo hiệu Ánh sáng có khắp mọi nơi. Truyền dẫn khơng dây có thể dễ dàng thiết lập qua các thiết bị VLC kết hợp với các ánh sáng và các hạ tầng.
46
2.4.1 Kịch bản thứ nhất
Trong trƣờng hợp V2V, một phƣơng tiện đứng trƣớc các đèn tín hiệu giao thơng
nhận thơng tin an tồn và đƣa nó tới đèn pha phía sau của phƣơng tiện. Chúng ta có thể thậm chí hình thành một mạng ad-hoc giữa các phƣơng tiện và chia sẻ thơng tin giữa chúng. Một ví dụ cho trƣờng hợp này đƣợc biểu diễn ở hình 2.3.
Hình 2.3 .Kịch bản ứng dụng ngoài trời của ITS dựa trên VLC
Tƣơng tự nhu vậy, chiếc ô tô đang chạy có thể u cầu thơng tin từ các
trạm thu phát cố định bên đƣờng RSUs sử đụng đèn pha phía trƣớc dựa trên
LED do đó hình thành hệ thống thông tin song công hai chiều.
RSUs nhƣ là các đèn tín hiệu giao thơng phù hợp với thơng tin quảng bá trong
chế độ I2V của các hệ thống thông tin phƣơng tiện. Thông tin liên quan đến an tồn
47
giao thơng liên tục đƣợc quảng bá mà khơng sử dụng thêm năng lƣợng để làm dịng
phƣơng tiện lƣu thơng trôi chảy và giảm thiểu tai nạn. Ánh sáng đƣợc phát ra từ đèn
tín hiệu giao thơng (bao gồm một mảng các LEDs) đƣợc điều chế ở tần số mắt ngƣời khơng thể phát hiện ra đƣợc. Tín hiệu ánh sáng điều chế sau đó đƣợc tách bởi một bộ tách sóng quang (photodetector-PD) ở trên máy thu ở phƣơng tiện, cung cấp thơng tin an tồn hữu ích cho phƣơng tiện ở phía trƣớc. Có nhiều phƣơng pháp triển khai việc trao đổi thơng tin giữa các phƣơng tiện, nhƣ là một cách để truyển thông tin giữa các phƣơng tiện dừng đỗ gần trạm điều khiển giao thơng.
2.4.2 Kịch bản thứ hai
Hình 2.4 Kịch bản tích hợp đèn tín hiệu giao thơng với ITS
Ánh sáng đèn giao thông dựa trên LED là sự lựa chọn phù hợp nhƣ là RSU đƣợc tích hợp với sự phát triển của hệ thống ITS. Một trong những kịch bản của việc tƣơng tác và truyền tin từ RSU tới các phƣơng tiện đƣợc biểu diễn trong hình
2.4.
48
2.5 Kiến trúc hệ thống VLC ứng dụng trong hệ thống ITS.Traffc Information Traffc Information Source Pre-recorded A D Real time C EMITTER
Hình 2.5 Kiến trúc hệ thống VLC cho việc quảng bá thơng tin trong hệ thống
ITS 2.5.1 Phía phát VLC trong ITS
Một thiết bị phát VLC là một thiết bị biến đổi điện quang (electro-optical transducer) mà truyền thơng tin sử dụng các sóng ánh sáng qua mơi trƣờng không dây. Các hệ thống VLC trở thành một cơng nghệ hữu ích cho tƣơng lai trong việc truyền dẫn dữ liệu không dây nhờ sự phát triển của cơng nghệ chiếu sáng bán dẫn. Tín hiệu dữ liệu số đƣợc chuyển qua bộ mã hóa dữ liệu, bộ này điều chế tín hiệu với mục đích chuyển các LED ở tốc độ mong muốn của đƣờng truyền dữ liệu. Phƣơng
pháp điều chế đƣợc sử dụng phải đƣa ra cƣờng độ lớn của ánh sáng nền
(background light) và ở cùng một thời điểm, ánh sáng nền sáng nhất có thể. Điều chế cƣờng độ trực tiếp IM-DD đƣợc đƣa ra sử dụng trong IR cũng đƣợc sử dụng trong VLC. Sự lựa chọn khác là các phƣơng pháp điều chế (OOK, PPM, LPPM...) định rõ sự điều chế của ánh sáng lên trên sóng mang ánh sáng. Thơng tin theo cách này
kết hợp với tín hiệu điều khiển nên đảm bảo đủ công suất quang để đạt đƣợc dải truyền tin mong muốn. Đôi khi các đặc tính điện của các LED màu khác nhau, nhƣ
là dịng điện thuận lớn nhất hay điện áp thuận, có thể sử dụng một bộ điều khiển đầu ra với các kênh riêng biệt và một chuyển mạch khác nhau một chút.
Bộ mã hóa có thể đƣợc tích hợp hay dải của các tín hiệu đầu vào đƣợc chỉ rõ. Để xây dựng khối này, một bộ vi điều khiển là một giải pháp hiệu quả
tƣơng đối rẻ nhƣng nâng cấp nó khơng hề dễ. Sử dụng một FPGA sẽ đắt hơn, nhƣng mà khả năng xử lý dữ liệu tốt hơn và nó cũng dễ nâng cấp hơn. Trong hệ
thống điều khiển đầu cuối điện tử, sự tích hợp của ma trận LED chỉ rõ sự tiết kiệm công suất, dải quang và tần số hoạt động lớn nhất.
2.5.2 Phía thu VLC trong ITS
Máy thu VLC là một bộ biến đổi quang điện nhận thơng tin đƣợc điều chế
trƣớc đó trong dải tần số nhìn thấy và đƣợc chuyển sang tín hiệu điện có khả năng đƣợc xử lý bởi một bộ giải điều chế-giải mã (demodulator-decoder). Sự
thiết kế chính xác của thiết bị rất quan trọng để đảm bảo chất lƣợng của toàn bộ hệ thống VLC. Các yếu tố liên quan khác là sự xuất hiện của các tín hiệu mức thấp và các nhiễu mức cao
Các xung ánh sáng nhìn thấy, đƣợc bắt nguồn từ phía máy phát của hệ thống
đƣợc tập hợp vào một bộ tách sóng quang; một bộ lọc cắt bỏ tia hồng ngoại quang
(optical IR cut-off filter) là giải pháp thiết thực cho việc giảm các phổ tín hiệu khơng mong muốn. Photodiode đảo khơng cân bằng (reverse biased photodiode)
50
hoạt động ở chế độ quang dẫn (photoconductive), tạo ra một dòng tỷ lệ với ánh sáng thu đƣợc. Dịng này có các giá trị nhỏ do đó yêu cầu tiền khuếch đại để chuyển sang dạng điện áp. Bộ tiền khuếch đại này biểu diễn sự dung hịa tốt nhất giữa băng thơng và nhiễu cho các loại ứng dụng này. Điện áp nhận đƣợc sau đó
đƣợc đƣa vào một bộ lọc thơng thấp để loại bỏ bất kỳ nhiễu tần số cao. Tín hiệu sau đó đƣợc khuyến đại sâu hơn ở tầng khuếch đại cuối cùng. Lọc tín hiệu một
chiều cũng đƣợc áp dụng ở đầu vào của các tầng khuếch đại và lọc, giúp giảm thành phần nhiễu một chiều của tín hiệu thu đƣợc cũng nhƣ là các thành phần tần số thấp. Tín hiệu điện áp cuối cùng nên tƣơng ứng với các xung ánh sáng nhận
đƣợc, các xung sau đó đƣợc giải mã ở khối giải mã cuối cùng, do đó tách ra dữ liệu
số. Khối cuối cùng này thực hiện hàm nghịch đảo của khối mã hóa bên phía phát, những cũng đƣợc thực hiện với một bộ vi xử lý hay thậm chí tốt hơn là một
FPGA. Cơ chế giải điều chế sẽ phụ thuộc vào cơ chế điều chế sử dụng ở phía
phát. Kỹ thuật biến đổi giảm (down-conversion) trong thực tế có thể đƣợc xem là tách sóng trực tiếp. Khơi phục xung clock là cần thiết cho việc đồng bộ phía
phát và phía thu. Thêm vào đó, hệ thống cần khối quản lý giao thức và khối khôi
phục xung clock/dữ liệu cho việc đồng bộ các gói tin nhận đƣợc.
Bộ tách sóng đƣợc đặc trƣng bởi tham số tầm nhìn (feld of view-FOV), đáp
ứng (responsivity) và diện tích dịch vụ. Với diện tích dịch vụ lớn hơn, một máy thu
mong muốn một FOV rộng hơn. Tuy nhiên, FOV rộng hơn dẫn đến làm giảm chất
lƣợng của hệ thống vì khả năng nhận những tín hiệu ánh sáng khơng mong muốn
2.5.3 Kênh truyền VLC trong hệ thống ITS
Một trong những yêu cầu nghiêm ngặt của VLC là truyền sóng trực tiếp tầm nhìn thẳng (direct line of sight-LoS). Mặc dù trong một vài ví dụ của ứng dụng trong nhà cấu hình kênh phân tán (difused channel) cũng đƣợc sử dụng. Trong hình vẽ 2.6 a ,b các đƣờng truyền LoS và phân tán đƣợc biểu diễn
51
(a)
(b)
Hình 2.6 (a) Cấu hình hệ thống VLC car-to-car, (b) Sự phản xạ từ mặt đƣờng (
phản xạ phân tán)
Ánh sáng phát từ LED mang thông tin dữ liệu trong mơi trƣờng khơng dây.
Do đó, cƣờng độ của ánh sáng của phía phát trở thành một tham số quan trọng mà
dải truyền dẫn phụ thuộc vào. Có rất nhiều các nguồn nhiễu ánh sáng bên ngồi nhƣ là ánh sáng mặt trời và các ánh sáng của đƣờng phố. Đó là một vấn đề quan trọng cần đƣợc xem xét trong thiết kế đƣờng truyền. Chúng làm giảm cƣờng độ của ánh sáng bên phía phát và có thể gây ra sự tạo xung bị sai ở phía photodiode. Các bộ lọc quang có thể đƣợc sử dụng để loại bỏ các hiệu ứng này.
Nói chung, thiết kế các hệ thống VLC cho các ứng dụng ngồi trời khá khó và phức tạp. Nó bao gồm các lĩnh vực hiểu biết khác nhau nhƣ quang, điện, truyền thông và mạng.
52
2.6 Kết luận chƣơng.
Chƣơng 2 đã tìm hiểu tổng quan về hệ thống giao thông thông minh, các
thành phần của hệ thống giao thông thông minh. Đồng thời, ở chƣơng này, luận văn
cũng đƣa ra các kịch bản ứng dụng VLC vào hệ thống giao thông thông minh cùng
với mô hình kiến trúc của VLC cho việc quảng bá thơng tin giao thông.
53
dài và truyền dẫn dữ liều, để bao phủ một diện tích đƣờng rộng hơn dọc chiều dài
đƣờng. Khoảng bao phủ rộng của đèn chiếu sáng tạo ra một vùng dịch vụ lớn hơn,
khu vực ở đó dữ liệu truyền dẫn nhận đƣợc một cách tin cậy. Do đó, giống nhƣ đặc tính chiếu sáng ở mơi trƣờng trong nhà, chiếu sáng đồng nhất và định hƣớng trở nên quan trọng. Ví dụ, mơ hình chiếu sáng đèn cho chiếu sáng đƣờng khác với cho các đèn tín hiệu giao thông. Thiết kế các ánh sáng LED cho chiếu sáng tồn bộ
đƣờng dễ hơn cho các đèn giao thơng dựa trên LED. Tuy nhiên, thiết kế cho các đèn giao thông hiệu quả về giá hơn. Sự kết hợp của các nguồn sáng này có thể tạo ra
truyền dẫn thơng tin liên tục và khắp mọi nơi khi di chuyển.
Tuy nhiên, khi khơng có các đèn chiếu sáng đƣờng LED, topo hệ thống các đèn tín hiệu giao thơng chiếu sáng VLC trở nên linh động và đƣợc mô tả bởi sự
biến đổi của kênh truyền dẫn. Khoảng cách máy phát và máy thu và nhiễu xung quanh có thể thay đổi, làm cho tỷ số tín hiệu trên nhiễu thay đổi đáng kể ở kênh truyền quang vơ tuyến ngồi trời. Khoảng cách ngắn hơn giữa máy phát và máy thu cho phép sử dụng tốc độ truyền dẫn cao hơn; mặt khác, cƣờng độ nhiễu xung quanh tăng có thể đƣợc cân bằng bởi giảm tốc độ truyền dẫn.
Truyền dẫn VLC, vấn đề về kết nối quan trọng hơn tốc độ truyền dẫn, có
nghĩa là các hệ thống này phải cung cấp một cơ chế thích nghi về tốc độ truyền
dẫn. Đặc tính này cho phép hệ thống đáp ứng bản chất kênh động và topo mạng , cũng đƣa ra quan điểm sử dụng nhiều ứng dụng và đảm bảo sự tƣơng thích
với hệ thống khác.
54
Trên nền tảng phân tích trên, chƣơng này phân tích hai vấn đề.
- Vấn đề thứ nhất: phân tích một mơ hình hệ thống đèn tín hiệu giao thơng
và một thiết bị phát LED cho các đặc điểm chiếu sáng đƣợc mong muốn.
- Vấn đề thứ hai: phân tích đặc tính của kênh truyền quang và nhiễu
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
Hệ thống VLC sử dụng thiết bị phát dựa trên LED cho việc truyền dẫn thông tin. Trong giao thông thơng minh, thiết bị phát là trên đèn tín hiệu giao thông dựa trên LED cùng thời điểm đƣợc sử dụng cho việc báo hiệu. Thêm vào
đó, một số LED cần thiết để đƣa ra tầm nhìn (visibility) ở khoảng cách dài hơn và truyền dẫn dữ liệu để bao phủ một diện tích đƣờng rộng hơn dọc chiều dài của đƣờng. Khoảng bao phủ rộng cho chiếu sáng (light illumination) với mong
muốn đƣa ra diện tích dịch vụ lớn hơn, diện tích mà ở đó thơng tin dữ liệu nhận
đƣợc một cách tin cậy. Do đó, giống với các đặc tính chiếu sáng ở mơi trƣờng
trong nhà, sự chiếu sáng định hƣớng và đồng nhất trở nên quan trọng.
3.2.2 So sánh LED cho chiếu sáng đèn đƣờng và cho đèn tín hiệu giao thơng
Các thành phần chiếu sáng ở đƣờng khác với các thành phần ở các đèn tín hiệu giao thơng. Thiết kết các LED cho chiếu sáng tồn bộ đƣờng dễ hơn các
đèn tín hiệu giao thơng dựa trên LED. Tuy nhiên, đèn tín hiệu giao thơng dựa
trên LED có hiệu quả về giá thành hơn. Nhƣng sự kết hợp giữa các đèn tín hiệu giao thơng cho đèn đƣờng và các đèn tín hiệu giao thơng dựa trên LED cung cấp sự trao đổi thông tin không bị gián đoạn và tồn tại ở khắp mọi nơi trong suốt quá trình tham gia giao thơng.
3.2.3 Các LED chiếu sáng đƣờng
Các LED đã thay đổi khái niệm của chiếu sáng không chỉ với mong muốn về
hiệu suất tối đa mà còn về các cơ hội cho các ứng dụng về ánh sáng thông minh và
55
thống chiếu sáng thông minh với sự ổn định đƣợc điều khiển bởi phần mềm, chức năng vận hành, sự thích nghi, và tiết kiệm năng lƣợng. Các hệ thống nhƣ
vậy đang nổi lên và trở thành cách mạng công nghệ trong tƣơng lai gần. Chúng
ta sẽ tìm hiểu mơ hình chiếu sáng để vùng phủ chiếu sáng lớn hơn.
Sự sử dụng LED bị hạn chế bởi các đèn tín hiệu giao thơng và các khu vực công viên. LED hy vọng đƣợc triển khai ở các nguồn sáng lớn nhƣ chiếu sáng đèn
đƣờng trong tƣơng lai cho phép truyền thông chất lƣợng cao. Chiếu sáng đƣờng
sử dụng LED có thể giúp bỏ đi nhiều hệ thống truyền thơng, ví dụ nhƣ các đèn