Trước khi đi vào phân tích v đây truyền dữ liệu với tốc đ
bộ nhận, bộ tiền khuếch đại đư hiệu nhận được thành tín hi thông. Đầu ra của bộ điều ch
nhiễu thành phần: tạp âm kim (shot noise), nhi hiệu (ISI):
Tỉ lệ SNR được biểu di
Trong đó, Pr là công suất quang nh kênh truyền trên đường truy
được tính trong các phương tr
24
ảng cách giữa đèn LED và điểm phản xạ; D2
nhận; ρ là hệ số phản xạ. dAwall là vi phân diện tích ph
ạ; α là góc tới tại điểm phản xạ, β là góc rọi
Mô hình truyền phát của khi có tia sáng phản xạ (NLOS)
a công nghệ VLC
ạp âm (SNR)
c khi đi vào phân tích về SNR, chúng ta giả sử rằng các đèn LED tr c độ B (bit/s), sử dụng điều chế OOK với các xung NRZ. T
i được đặt ở trước bộ điều chỉnh để chuyển đ c thành tín hiệu có biến đổi Fourier dạng đường cosin v
u chỉnh chứa một nhiễu Gauss có tổng phương sai p âm kim (shot noise), nhiễu nhiệt (thermal noise), và nhi
2 2 2 2
shot thermal rISI
N σ σ P u diễn như sau:
2 2
rsignal
SNR
P
N
t quang nhận được toàn phần được tính bởi
ng truyền trực tiếp Hd(0) và trên đường truyền ph
trong các phương trình (1.9) và (1.13); γ là độ nhạy thu của PD.
là khoảng cách n tích phản xạ; ϕ đến bộ nhận, ψ (NLOS). ng các đèn LED trắng ở i các xung NRZ. Tại n đổi các xung tín ng cosin với 100% băng
ng phương sai N của các
t (thermal noise), và nhiễu liên kí
(1.14)
(1.15) i độ lợi DC của
n phản xạ Href(0) a PD.
25
Phương sai của tạp âm kim được trình bày trong tài liệu [4]:
2
2
2 2
shot q rsignalB qI I Bbg
σ P (1.16)
Trong đó, q là điện tích; Prsignal là công suất tín hiệu điện nhận được ở đầu ra của PD;
B là tốc độ truyền dữ liệu; Ibg là dòng điện nền và hệ số băng thông nhiễu là I2 = 0.562. Phương sai của nhiễu nhiệt được trình bày chi tiết trong tài liệu [4]:
2 2 2 2 2 3 2 3 8 k 16 k thermal m kT kT Γ AI B A I B G g σ (1.17)
Trong đó, k là hằng số Boltzmann; Tk là nhiệt độ tuyệt đối Kenvil (K); G là khuếch đại thế vòng hở; η là hệ số điện dung của PD trên mỗi đơn vị diện tích; Γ hệ số nhiễu kênh FET; gm là độ hỗ dẫn và I3 = 0.0868.
Công suất tín hiệu mong muốn là:
1 0 ( ) ( ) T LEDs rsignal i i h t X t dt P (1.18)
Công suất tín hiệu nhận được do nhiễu liên ký hiệu (ISI) là:
1 ( ) ( ) LEDs rISI i i T h t X t dt P (1.19)
Trong đó, X(t) biểu diễn xung truyền quang; h(t) là đáp ứng xung tại đèn LED thứ i. 1.3.2. Tốc độ truyền dữ liệu
VLC là một công nghệ truyền thông đầy hứa hẹn trong tương lai bởi nhiều đặc tính nổi bật. Một trong những đặc tính ấy chúng ta phải kể đến tốc độ truyền dữ liệu cao đã được chứng minh trong nhiều bài báo như [8, 9]. Tốc độ truyền dữ liệu là 1.5 Gbit/s với kênh truyền đơn và 3.4 Gbit/s đạt được bằng việc thực hiện phương pháp truyền ghép kênh phân chia giải tần (WDM – Wavelength Division Multiplexing) tại mức chiếu sáng chuẩn. Trong bài báo số [8], các tác giả đã đề suất phương pháp để tăng tốc độ truyền dữ liệu lên đến 3.75 (Gbit/s) và băng thông là 160 (kHz) khi sử dụng bộ nhận quang hữu cơ và tốc độ truyền dữ liệu là 2.8 khi sử dụng điều chế OOK (On-Off Keying). Tuy nhiên, nếu chúng ta không sử dụng bộ điều chỉnh thì tốc độ dữ liệu chỉ đạt khoảng 200 - 300 Kbit/s khi sử dụng các loại điều chế 4-PPM và OOK.
Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ truyền dữ liệu như bộ lọc quang, góc FOV ở bộ nhận, góc nửa công suất, loại PD được sử dụng, các bộ điều chỉnh tại máy phát (pre-equalization) và bộ nhận (post-equalization), công suất phát, v.v.Vì vậy, để nâng cao tốc độ truyền dữ liệu chúng ta cần phải tối ưu hóa những vấn đề đã được nêu ở trên. Ảnh hưởng của việc hạn chế băng thông của lớp phủ phốt pho phải được phá vỡ. Một vài giải pháp được đưa ra để giải quyết cho vấn đề này như sau:
26
Bộ lọc màu xanh tại bộ nhận để lọc ra các thành phần màu vàng chậm phản ứng.
Bộ điều chỉnh trước tại mô đun điều khiển LED. Bộ điều chỉnh sau tại bộ nhận.
Kết hợp cả ba phương pháp trên.
Sử dụng một phương pháp điều chế phức tạp mà nhiều bít có thể được mang đi bởi một ký hiệu được truyền đi. Giải pháp này bao gồm việc kết hợp các kỹ thuật điều chế đa mức như điều chế QAM với OFDM hoặc điều chế DMT. Khi sử dụng kết hợp với bộ lọc màu xanh thì tốc độ truyền có thể lên đến Mbps. Bảng 1.2 tóm tắt tốc độ truyền dẫn có thể đạt được của các hệ thống VLC khác nhau cho các kênh xanh và trắng với một số các bộ lọc như: NRZ, OKK, DMT-QAM.
Bảng 1.2. Hiệu suất của các hệ thống truyền thông VLC có tốc độ cao [2].
Loại đèn LED Bộ điều chỉnh trước Bộ điều chỉnh sau Kỹ thuật điều chế
Băng thông Tốc độ dữ liệu đã được chứng minh Đèn LED trắng OOK-NRZ 2 MHz 10 Mps (BER< 10 ) Đèn LED trắng X OOK-NRZ 25MHz Over 2 m 40 Mps (BER< 10 ) Đèn LED – phốt pho OOK-NRZ 50 MHz 120 Mps (BER< 10 ) Đèn LED – phốt pho OOK-NRZ 50 MHz 230 Mps (BER< 10 ) Đèn LED – phốt pho DMT-QAM 50 MHz 513 Mps With APD Đèn LED – phốt pho X OOK-NRZ 45 MHz 80 Mps (BER< 10 ) Đèn LED – phốt pho X OOK-NRZ 50 MHz 100 Mbit/s (BER< 10 ) Đèn LED – phốt pho DMT-QAM 25 MHz 100 Mbit/s (BER< 10 ) Đèn LED – phốt pho DMT-QAM 50 MHz 200 + Mbps (BER< 10 ) Đèn LED – phốt pho DMT-QAM 50 MHz 515 Mbit/s (BER< 10 )
27 1.4. Ứng dụng và một số sản phẩm thực tế
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ chiếu sáng sử dụng chất bán dẫn (solid-state lighting). Công nghệ VLC cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ hàng trăm Mbps thậm chí có thể lên đến vài Gbps. Với những ưu điểm nổi bật, công nghệ VLC được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực như dưới đây.
1.4.1. Truyền thông di động
1.4.1.1.Truyền thông di động thế hệ sau 4G
Công nghệ VLC được xem như là một trong những ứng viên sáng giá cho thế hệ di động sau 4G giúp tăng chất lượng dịch vụ trong các tòa nhà, văn phòng hay các môi trường trong nhà khác nơi mà truyền thông bằng sóng vô tuyến có thể bị suy hao cao do hiệu ứng đa đường trong những môi trường này. Do đó, công nghệ VLC là một giải pháp thay thế rất hữu hiệu để nâng cao chất lượng dịch vụ. Đã có rất nhiều hệ thống lai ghép giữa mạng di động tế bào và mạng di động VLC nơi mà các đèn LED đóng vai trò là các điểm truy cập đã được đề suất cho đến nay.
Hình 1.10. Công nghệ truyền thông VLC ứng dụng trong phòng họp (nguồn Internet). 1.4.1.2.Truyền thông trong các môi trường đặc biệt
Các môi trường hạn chế sử dụng sóng vô tuyến: Sóng vô tuyến được đặc biệt hạn chế ở một số môi trường đặc biệt như: sân bay, trạm xăng dầu, hay bệnh viện. Lý do là sóng vô tuyến sẽ gây nhiễu lên hoạt động của các thiết bị điện tử, làm cho chúng hư hỏng hoặc không chính xác, thậm chí có thể gây nên cháy nổ hoặc hỏa hoạn ở những khu vực như trạm xăng. Do đó, công nghệ VLC là một công nghệ thích hợp để thay thế cho truyền thông bằng sóng vô tuyến ở những khu vực này [11].
Hình 1.11. Công ngh 1.4.2. Truyền hình
Các tác giả trong bài báo [1 video qua kênh truyền VLC. Đi dịch vụ giải trí đa phương ti
Hình 1.12. Sơ đ
28
Hình 1.11. Công nghệ VLC được sử dụng trong bệnh viện [11]
ài báo [12] đã đề suất một mô hình thực tế n VLC. Điều này hứa hẹn sẽ mở ra sự phát triển m i trí đa phương tiện tại nhà.
. Sơ đồ khối của bộ phát video và audio[12]. [11].
để truyền phát mạnh mẽ cho các
Hình 1.13. Sơ đ 1.4.3. Nhà thông minh
Chiếu sáng thông minh là m minh, trong khách sạn, bảo
chiếu sáng, không chỉ tạo nên truy cập không dây, giúp ngư cũng như truy cập Internet. của mình thông qua công ngh sinh, v.v. Hình 1.14 miêu t VLC [11].
Hình 1.14. Mô hình n
1.4.4. Hệ thống giao thông thông minh
Công nghệ truyền thông b trong môi trường trong nhà
đặc biệt là trong hệ thống giao thông thông minh 29
. Sơ đồ khối của bộ nhận video và audio[12].
u sáng thông minh là một yêu cầu rất cần thiết cho những ngôi nhà thông o tàng, v.v. Với việc kết hợp công nghệ VLC vào các thi
nên mạng chiếu sáng thông minh mà còn tạo thành các đi p không dây, giúp người sử dụng có thể dễ dàng sử dụng các d
Quan trọng nhất là người dùng có thể điều khi a mình thông qua công nghệ này như đóng cửa, tự động bật nhạc, t
tả hình ảnh một ngôi nhà thông minh sử d
Mô hình nhà thông minh sử dụng công nghệ VLC ng giao thông thông minh
n thông bằng ánh sáng nhìn thấy không chỉ ng trong nhà mà nó còn được ứng dụng trong cả môi trư
ng giao thông thông minh. Các phương tiện giao thô
ng ngôi nhà thông VLC vào các thiết bị o thành các điểm ng các dịch vụ giải trí u khiển ngôi nhà c, tự động dọn vệ dụng công nghệ [11]. ỉ được sử dụng môi trường ngoài trời, n giao thông có thể
30
giao tiếp với nhau thông qua các bộ thu phát tín hiệu VLC để giảm thiểu những tai nạn đáng tiếc. Bên cạnh đó, các phương tiện giao thông cũng có thể kết nối đến các đèn giao thông hoặc đèn chiếu sáng ở hai bên đường để định vị hay truy cập Internet. Hình 1.15 minh họa hệ thống giao thông thông minh sử dụng công nghệ VLC.
Hình 1.15. Hệ thống giao thông thông minh (nguồn: Internet). 1.4.5. Định vị và dẫn đường
Định vị và dẫn đường là hai bài toán rất phổ biến trong các ứng dụng của điện thoại thông minh hay robot trong môi trường trong nhà, ví dụ như hệ thống e-mart (hệ thống siêu thị điện tử) trong siêu thị. Dựa trên các tham số như công suất nhận, màu sắc, tần số hay các yếu tố hình học, v.v. chúng ta có thể dễ dàng ứng dụng công nghệ VLC để giải quyết cái bài toán định vị.
31 1.5. Tóm tắt chương một
Trong chương này chúng ta đã thảo luận các vấn đề cơ bản liên quan đến công nghệ truyền thông không dây sử dụng ánh sáng nhìn thấy – VLC có dải tần rộng từ 400 (Hz) đến 800 (Hz). Hệ thống VLC sử dụng đèn LED trắng để làm nguồn phát với các ưu điểm vượt trội của nó so với các loại đèn phát sáng thông thường như đèn huỳnh quang và đèn sợi đốt như tiêu thụ công suất thấp, độ sáng cao, tuổi thọ cao, dễ dàng điều khiển độ sáng, v.v. tuy rằng nó vẫn còn gặp phải một số nhược điểm. Mô hình chi tiết và các đặc trưng cơ bản của một hệ thống VLC cũng được mô tả và thảo luận chi tiết trong nội dung của chương một. Một số ứng dụng phổ biến của công nghệ VLC sẽ được liệt kê trong phần cuối cùng của chương này.
32
Chương 2
ĐỊNH VỊ TRONG MÔI TRƯỜNG TRONG NHÀ
Định vị là một trong những thách thức lớn đối với những nhà khoa học trong lĩnh vực nghiên cứu về robot di động. Đó là quá trình xác định chính xác vị trí và hướng của robot trong môi trường làm việc của nó. Nói đến định vị, chắc hẳn chúng ta sẽ nghĩ đến hệ thống định vị toàn cầu GPS rất phổ biến. Đây có thể là sự lựa chọn đơn giản và hiệu quả cho các thiết bị di động nói chung và robot di động nói riêng. Tuy nhiên, GPS chỉ hoạt động tốt đối với môi trường ngoài trời với sai số lên đến vài mét, trong khi đó đối với các ứng dụng cần độ chính xác cao trong môi trường trong nhà thì GPS không phải là một giải pháp tối ưu. Đó là một trong những lí do tại sao vấn đề định vị robot trong nhà vẫn luôn được quan tâm nghiên cứu để đưa ra những giải pháp phù hợp và hiệu quả nhất.
Cho đến nay, có rất nhiều giải pháp đã được áp dụng cho định vị robot trong nhà như các hệ thống sử dụng cảm biến hồng ngoại, laser, cảm biến siêu âm, sóng vô tuyến [13-18], v.v. Trong đó, nhận dạng bằng sóng vô tuyến (RFID) từng được sử dụng như một giải pháp chính trong định vị robot [17]. Các hệ thống định vị bằng Wifi cũng đã được nghiên cứu và chứng minh về tính khả thi thông qua thực nghiệm [18].
Trong những năm gần đầy, cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ chế tạo đèn LED trắng, định vị robot dựa trên công nghệ VLC - truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy được xem xét như một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn với nhiều điểm ưu việt. So với các công nghệ truyền thông không dây khác như RF hay Wifi thì công nghệ VLC ít ảnh hưởng tới sức khỏe của người sử dụng, đồng thời còn được sử dụng cho mục đích chiếu sáng. Ngoài ra, đèn LED trắng còn có hiệu suất rất cao, độ che phủ rộng và cho phép tăng cường công suất truyền tải. Một ưu điểm khác của đèn LED là có tuổi thọ rất cao, có thể lên tới 1.00.000 giờ chiếu sáng, cho phép tiết kiệm chi phí khi thực hiện các hệ thống định vị qua công nghệ VLC.
Trong nội dung của chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu về một số phương pháp định vị robot trong nhà sử dụng công nghệ VLC đã được đề suất và nghiên cứu từ trước đến nay. Các phương pháp định vị này có điểm chung là đều ứng dụng các mô hình hình học vào quá trình xác định vị trí. Thông qua việc thảo luận chi tiết các phương pháp định vị này, chúng ta sẽ phân tích những ưu, nhược điểm cũng của từng phương pháp. Từ đó, đề xuất một phương pháp định vị mới có độ chính xác và hiệu quả cao hơn.
33
2.1. Các phương pháp định vị ứng dụng công nghệ VLC
2.1.1. Phương pháp định vị dựa trên thời gian sóng ánh sáng tới (TOA)
Trong phương pháp này, các đèn LED đóng vai trò như nguồn phát tín hiệu còn PD được đặt trên robot sẽ hoạt động giống như một bộ nhận tín hiệu. Dựa vào tọa độ của các đèn LED và khoảng cách từ robot đến các đèn LED, chúng ta có thể tìm được vị trí của robot. Khoảng cách này chính là khoảng cách truyền tín hiệu ánh sáng được tính toán từ mối quan hệ giữa thời gian truyền và vận tốc ánh sáng. Để tính được khoảng cách truyền chúng ta chỉ cần đo thời gian tới của sóng ánh sáng ở bộ nhận do vận tốc ánh sáng cố định c = 3.108(m/s). Tuy nhiên, ánh sáng được phát ra từ các đèn LED theo hình dạng nón, do đó tồn tại một tập hợp điểm mà tại đó nhận được thời gian ánh sáng truyền đến là như nhau. Tập hợp các điểm này là quỹ tích của một đường tròn tưởng tượng có tâm là hình chiếu vuông góc của LED trên mặt sàn di chuyển của robot (xem hình 2.1).
Hình 2.1. Đường tròn tưởng tượng chứa các điểm nhận được thời gian truyền ánh sáng như nhau.
Như vậy, ứng với mỗi đèn LED chúng ta sẽ nhận được một phương trình đường tròn tưởng tượng. Nếu robot nằm giữa vùng phủ của nhiều đèn LED thì chúng ta sẽ nhận được một tập các phương trình của các đường tròn tưởng tượng. Giải hệ các phương trình này sẽ cho chúng ta vị trí của robot. Nói cách khác, vị trí của robot chính là giao điểm của các đường tròn nói trên.