Các bit thông tin là đầu vào của bộ điều chế (NRZ hay Manchester) ở tốc
độ bit Rb bit trên giây (bps). Dạng xung đƣợc tạo ra bởi bộ điều chế cho mỗi bit
đi đến bộ phát quang. Tín hiệu quang đƣợc điều chế cƣờng độ đi qua kênh truyền đa đƣờng phân tán theo thời gian cái biểu thị đầy đủ đặc tính bằng đáp ứng xung hc t Tín hiệu quang tới đƣợc biến đổi thành tín hiệu điện ở photodiode, sử dụng
Các tín hiệu điện nhận bao gồm một bản sao bị méo của tín hiệu điện phát, nhiễu nổ (shot noise) nsh t cũng nhƣ là nhiễu ánh sáng huỳnh quang tuần hoàn nfl
t . Bộ lọc thơng cao ở phía thu, sau đó là photodiode, đƣợc mơ hình nhƣ là một
bộ lọc RC bậc một với tần số cắt f0 . Lọc thích ứng sử dụng một bộ lọc (integrate and dump filter) đƣợc giả thiết cho tất cả các cơ chế điều chế. Với sự vắng mặt của ánh sáng huỳnh quang và nhiễu liên ký tự (ISI), điều này tƣơng
ứng với máy thu đƣợc tối ƣu
Đỉnh biên độ của xung nhận đƣợc là A, và tỷ lệ trực tiếp với công suất
quang. Giả sử:
(1.5)
A 2 R. Ps
Trong đó: R là hệ số đáp ứng của photodiode, Ps là công suất quang nhận đƣợc trung bình.
Hàm mật độ xác suất (PSD) của Gaussian shot noise nsh t đƣợc ký
hiệu là
N0 PSD của n t phụ thuộc vào dòng điện quang một chiều đƣợc tạo ra:
sh
N0 2q(I B ib)
Trong đó: IB là dịng photodiode một chiều đƣợc tạo ra bởi ánh sáng bên ngoài
cố định; ib là mức trung bình của nhiễu ánh sáng huỳnh quang và q là điện tích của electron.
Dạng tín hiệu đƣợc truyền có thể đƣợc mơ tả nhƣ một dãy số vơ hạn của các mơ hình trễ thời gian của dạng xung cơ bản p(t) :
(1.7)
S(t) ak p t kTb
k
Trong đó: p(t) là xung vng có độ rộng xung Tb 1 Rb ; ak là biên độ mang thơng
tin
Nếu tín hiệu là Manchester, p(t) là xung thay thế của cùng độ rộng với sự chuyển tiếp ở giữa các bit. Bỏ qua các thành phần nhiễu, xung tín hiệu nhận r t
ở đàu vào bộ lọc thích ứng là:
r(t) hF t p(t) (1.8)
Trong đó: hF t là đáp ứng xung của bộ lọc thông cao và * là tich chập
Tỷ số lỗi bit BER cho cơ chế điều chế OOK
Máy phát OOK phát ra một xung vng có độ rộng 1 Rb và có cƣờng độ 2P (peak power –cơng suất đỉnh) biểu thị bit 1, và khơng có xung để biểu diễn bit 0.
Băng thông yêu cầu bởi OOK là gần Rb . BER đƣợc cho trƣớc trong điều kiện
khoảng cách nhỏ nhất. Với loại máy thu này, máy thu chọn một tín hiệu từ tập tín hiệu đã biết xem cái nào gần nhất với tín hiệu nhận. Bởi vì máy thu quan sát các tín hiệu có thể gần nhất với tín hiệu nhận đƣợc. Do đó, nó có thể ít tạo ra lỗi nhờ nhiễu. Một phép đo quan trọng của việc chống nhiễu của một tập tín hiệu cho
trƣớc là khoảng cách nhỏ nhất giữa các tín hiệu:
d
min
dmin min
i
Trong đó: dmin là khoảng cách nhỏ nhất euclidean
Hình 1.20 biểu diễn hình học của khoảng cách euclidean nhỏ nhất giữa hai tín hiệu.
35
Với trƣờng hợp OOK, khoảng cách nhỏ nhất về mặt năng lƣợng trên bit đƣợc biểu diễn:
(1.11)
d2ook 2Eb
Trong đó: Eb là khoảng cách năng lƣợng trên bit. BER đƣợc cho trƣớc về mặt khoảng cách là:
BER
Và BER của hệ thống OOK là:
BER OOK Q
Trong đó: R là đáp ứng của bộ tách sóng quang, Ps là cơng suất quang trung bình, Tb là khoảng bit. Nhƣ vậy, về mặt hàm lỗi bù (error function) nó đƣợc đƣa ra nhƣ sau:
BER OOK
Công suất yêu cầu bởi OOK để đạt đƣợc một BER cho trƣớc là:
P 1
OOK
R
1.6 Ứng dụng của VLC trong hệ thống giao thông thông minh
Hàng năm, tắc đƣờng và tai nạn giao thông đang trở thành vấn đề lớn trong
xã hội. Vấn đề này hồn tồn có thể giải quyết đƣợc nếu có một hệ thống giao
thơng tiên tiến có khả năng thơng báo các thơng tin giao thông, dự báo các thông
tin giao thơng và kiểm sốt các thơng tin đó. Hiện nay, hệ thống giao thơng thông minh (ITS) đang nổi lên giải quyết các vấn đề về tăng độ an tồn khi tham gia giao thơng và giảm số lƣợng tai nạn giao thông cũng nhƣ tăng hiệu quả của đèn tín hiệu giao thơng (hình 1.21).
Trong hệ thống ITS, công nghệ VLC hiện đang đƣợc đề xuất nhƣ là một
phƣơng tiện cung cấp việc truyền tin giữa các phƣơng tiện và thiết lập kết nối giữa các phƣơng tiện với hệ thống hạ tầng giao thơng nhƣ là đèn tín hiệu giao thơng và
bảng báo hiệu. Hệ thống này cung cấp các kết nối không dây ở khoảng cách từ ngắn đến trung bình một chiều hay hai chiều. Hệ thống này sử dụng đèn pha và
đèn sau của các ô tô nhƣ là máy phát, và camera và bộ thu nhƣ là máy thu. Các đèn giao thông là một phần của máy phát ở trong phạm vi này.
Hình 1.21 Hệ thống giao thơng thơng minh sử dụng VLC
triển khai hệ thống VLC và đƣa ra lý do nghiên cứu ứng dụng của VLC trong hệ thống giao thơng thơng minh
38
CHƢƠNG 2 - HỆ THỐNG GIAO THƠNG THÔNG MINH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VLC
2.1 Giới thiệu
Ở chƣơng 1 đã phân tích về các thành phần cơ bản trong hệ thống
VLC,
đồng thời chứng minh tầm quan trọng của ứng dụng VLC trong hệ thống giao
thông thông minh. Chƣơng 2 đƣa ra khái niệm cơ bản về hệ thống và kiến trúc của giao thơng thơng minh và ích lợi của việc sử dụng các hệ thống VLC nhƣ là
các mạng truy nhập và làm thế nào để hệ thống VLC có thể tích hợp đƣợc vào
trong kiến trúc hạ tầng của ITS. Kiến trúc hệ thống cho quảng bá thông tin đƣợc thảo luận làm nổi bật các khác biệt quan trọng và sự vƣợt trội so với các giải pháp tần số vô tuyến phổ biến nhất.
2.1 Giới thiệu hệ thống giao thông thông minh (ITS) 2.1.1 Sự cần thiết của hệ thống giao thông thông minh
Với tăng lên về dân số ở các khu vực thành phố và sự tăng lên đáng kể của số
lƣợng ô tô, các phƣơng tiên ngày càng trở nên hỗn loạn. Vấn đề của tắc nghẽn không
chỉ ảnh hƣởng đến cuộc sống hàng ngày của ngƣời dân mà cịn có ảnh hƣởng lớn
đến các hoạt động kinh tế và kinh doanh. Vấn đề đó làm giảm thu nhập, ảnh hƣởng đến sự phát triển cơ bản của các thành phố trên thế giới. Vì thế hệ thống giao thông thông minh đƣợc nghiên cứu nhƣ là các giải pháp trong tƣơng lai.
2.1.2 Đặc tính quan trọng của hệ thống giao thơng thơng minh
2.1.2.1 Tính tốn tự động
Tính tốn tự động là một yêu cầu quan trọng của ITS. Hệ thông giao thông trong
tƣơng lai yêu cầu phải tính tốn tự động, phân tích các thơng tin và hoạt động đầu vào,
bắt đầu các hoạt động phối hợp để nâng cao chất lƣợng của hệ thống. Nhu cầu cho tính
linh động và tự do lựa chọn là một khía cạnh quan trọng khác về phía ngƣời sử dụng.
Việc thiếu tính linh động trong các hệ thống giao thông giới hạn tiềm năng của ngƣời sử dụng ở đó liên quan đến các dịch vụ cá nhân. ITS nên mở ra
sự linh động, các phƣơng án khác nhau và các sự lựa chọn điều khiển, cũng nhƣ là các dịch vụ cá nhân. Khi các hệ thống giao thông đặc biệt phụ thuộc vào các topo mạng
và các đặc điểm khác, các hệ thống thông minh trở nên cần thiết. Các công nghệ
truyền thông mới, bao gồm di động, không dây và các mạng ad-hoc cải thiện các hạ tầng một cách đáng kể, giúp chúng trở thành một phần tích cực và có tính
tƣơng tác của hệ thống.
2.1.2.2 Kiến trúc phân tán
Kiến trúc phân tán giải thích cho bất đồng bộ, các thuật toán điều khiển, các thành phần tự động quản lý và phối hợp, một trong những lĩnh vực nghiên cứu chính của ITS hiện nay. Có một vài yêu cầu cần phải đƣợc thỏa mãn từ trung tâm ngƣời sử dụng tới các chức năng dựa trên dịch vụ, làm cho hệ thống
giao thông thông minh trở nên phức tạp và không đồng nhất. Những nghiên
cứu gần đây xem xét việc hệ thống ITS phải tìm kiếm các thuật tốn phân tán sử dụng thơng tin bên ngồi từ các nguồn khác nhau, làm cho sự sử dụng khả
năng không đồng bộ và song song của các thực thể.
ITS bao gồm một dải rộng các công nghệ điện tử, điều khiển và thơng tin có dây và khơng dây. Khi tích hợp vào các hạ tầng các hệ thống và trong bản thân các phƣơng tiện, các công nghệ này giúp cho việc giám sát, điều khiển luồng
phƣơng tiện, giảm tắc nghẽn, cung cấp các đƣờng thay thế cho ngƣời di chuyển, tăng năng suất và tiết kiệm thời gian và tiền bạc. Dựa trên cơng nghệ khơng dây khoảng
cách ngắn, các phƣơng tiện có thể trao đổi thông tin với các trạm thu phát đặt cố định bên đƣờng (RSUs) một cách tự động. Tuy nhiên, với tiến bộ của các hệ thống khơng dây khoảng cách dài, các phƣơng tiện có thể giao tiếp với nhau.
2.2 Truyền thông trong mạng lƣới các phƣơng tiện
Một trong các yếu tố quan trọng trong thành cơng của cơng nghệ là các loại hình ứng dụng khác nhau và chất lƣợng dịch vụ đƣợc ra. Một loạt dịch vụ mới đƣợc
đƣa ra trong hệ thống mạng lƣới các phƣơng tiện nhƣ quảng bá có định hƣớng ƣu tiên
của việc cảnh báo phƣơng tiện, định tuyến các phƣơng tiện với nhau. Các ứng dụng
40
ra quyết định an tồn trong giao thơng tuân theo các luật lệ giao thông. Các
ứng dụng cảnh báo tốc độ rẽ và tín hiệu đèn giao thơng cảnh báo va chạm cho
phép các hạ tầng truyền tới các phƣơng tiện, các trạng thái đèn giao thông và sự uốn cong của đƣờng tƣơng ứng
Các dịch vụ Mô tả và các ứng dụng/ Các dịch vụ quan trọng
mạng
quảng bá đơn hop (I2V single hop broadcasting) Quangr bá một hop bất kỳ (V2I one-hop anycasting) Chuyển tiếp giữa các phƣơng tiện (Multihop Inter-vehicle
Các ứng dụng đƣợc yêu cầu bởi đèn tín hiệu giao thơng cảnh báo tránh nhau và cảnh báo tốc độ rẽ. Kết hợp với V2I, nó có thể cung cấp dịch vụ cho các ứng dụng hỗ trợ rẽ trái và hỗ trợ dịch chuyển tín hiệu dừng lại ở đó
việc trao đổi thơng tin hai chiều giữa các phƣơng tiện và
các node mạng đƣợc yêu cầu
Trong việc thu nhận thông tin, node hạ tầng xử lý qua mạng xƣơng sống. Dịch vụ mạng này, cùng với các dịch vụ quảng bá I2V, có thể kết hợp với chuyển tiếp nhiều hop giữa các phƣơng tiện. Sự kết hợp tối đa sự sử dụng của hạ tầng mạng và các phƣơng tiện xƣơng sống nhƣ là
các rơle và cơ hội để đến mỗi node.
Trong trƣờng hợp này mỗi phƣơng tiện hoạt động nhƣ một rơle và chuyển tiếp các gói dữ liệu theo một tập luật để ngăn cản các việc quảng bá thông tin không cần thiết. Dịch
vụ mạng này tối đa khả năng thông tin đƣợc khuếch tán
41
Forwarding) Quảng bá giữa các hàng (Limited Neighbor Broadcasting) Quảng bá từ
phƣơng tiện tới
hạ
(Vehicle- to/from
Infrastructure Unicasting)
để tìm đƣờng đi, và các dịch vụ khác tìm đƣờng tới phƣơng tiện và các node mạng qua truyền dẫn single hop
42
hệ thống tích hợp giúp cho phát triển an tồn giao thơng, nâng cao hiệu quả giao thông, thời gian di chuyển và giảm tắc nghẽn, tạo ra cảm giác hài lòng khi điều khiển
phƣơng tiện. Kết nối các hệ thống kết hợp với các dịch vụ đầu cuối, ITS cho phép
sự tích hợp của thông tin giao thông cập nhật vào các quá trình thƣơng mại của hệ thống IT. Mơ hình mạng tham chiếu ITS gắn chặt với các kết nối cụ thể giữa các hệ thống giao thông hệ thống con với nhà cung cấp dịch vụ thông tin (Information Service Provider-ISP) của hệ thống con và một hệ thống phƣơng tiện con (vehicle subsystem-VS). Miêu tả ngắn gọn về kiến trúc của hệ thống ITS đƣợc
trình bày dƣới đây.
2.3.1 Kiến trúc ITS
Tổ chức tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI) đã đƣa ra sự phát triển quan trọng cho kiến trúc ISO TC 204 ITS nhƣ ở hình vẽ 2.1. Mơ hình kiến trúc cho ITS đƣợc phân chia thành các tầng: tầng truy nhập, tầng mạng và vận chuyển, tầng thiết bị (facility layer),tầng ứng dụng nhƣ hình vẽ 2.1.
Tóm lại, kiến trúc cụ thể các kiến trúc giao thức tham chiếu của các hệ thống ITS. ITS biểu diễn một thành phần nói chung cho hạ tầng truyền thơng giữa các phƣơng tiện và các đƣờng phố. Kiến trúc giao thức tham chiếu về cơ
bản tuân theo mơ hình tham chiếu ISO/OSI, đƣợc mở rộng theo phƣơng thẳng
đứng bởi các lớp bảo mật và quản lý nhƣ ở hình vẽ.
43
Hình 2.1 Mơ hình tham chiếu cho ITS
Các chuẩn ITS hứa hẹn cung cấp các công nghệ truy cập khác nhau. Họ các chuẩn cụ thể một kiến trúc chung, các giao thức mạng và các khái niệm giao diện truyền thông cho các truyền thơng khơng dây và có dây sử dụng các công
nghệ truy cập khác nhau nhƣ 2G, 3G, vệ tinh, hồng ngoai, sóng siêu cao tần 5Ghz,
sóng 60GHz milimeter, và các sóng vơ tuyến dải rộng. Các cơng nghệ truye cập có thể kết hợp chặt chẽ để cung cấp các truyền thông broastcast, unicast và multicast giữa các trạm đi dộng và các trạm di động hay các trạm cố định trong khu vực ITS (ITS sector). Tầng mạng và vận chuyển (networking and transport
layer) đƣa ra kết nối Internet) và định tuyến bao gồm nhiều giao thức vận chuyển và
giao thức Internet đặc biệt cho Ipv6. Với hỗ trợ truyền thông, các hỗ trợ ứng dụng, các thông báo dịch vụ.., tầng thiết bị (facility layer) đƣợc tích hợp trong mơ hình trong khi các vấn đề liên quan đến an toàn, rơ-le giao thông hiệu quả và các ứng dụng giá trị gia tăng đƣợc xử lý để sử dụng ở tầng ứng dụng (application layer). Tầng bảo mật điều khiển và cung cấp xác thực cho việc mở rộng các dịch vụ và
ứng dụng. Tầng quản lý và điều khiển trở nên cần thiết cho mơ hình tham chiếu
cho việc điều khiển và hoạt động chuẩn xác của các thành phần.
44
Thành phần hệ thống lề đƣờng con (Roadside Station) Thành phần hệ thống trung tâm con (Centeral Station)
Hình 2.2 Kiến trúc truyền thông ITS
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 môi trƣờng không 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 thông 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 vơ tuyến khơng có hiệu quả về giá. Nó rất khó để dựa trên
các điểm khơng 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 vơ 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 thơng vơ tuyến khơng dây gặp phải một số vấn