- NGUYỄN NGỌC NAM NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ MIMO TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỬ DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: TS. - x CHƢƠNG 1 - GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN SỬ DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY. - Truyền thông quang không dây sử dụng ánh sáng nhìn thấy. - 11 CHƢƠNG 2 - HỆ THỐNG VLC SỬ DỤNG NGUỒN SÁNG LED. - Mô hình hệ thống VLC. - Phía phát của hệ thống VLC. - Phía thu của hệ thống VLC. - Mô hình hệ thống VLC trong nhà. - Sử dụng MIMO trong hệ thống VLC trong nhà. - 8 Hình 1.5: Các ứng dụng của hệ thống VLC trong nhà. - 9 Hình 2.1: Mô hình hệ thống VLC cơ bản. - 42 Hình 2.23: Ví dụ sử dụng bộ thu phát phản xạ tạo kết nối đường lên. - 47 Hình 3.2: Mô hình hệ thống VLC trong nhà điển hình. - 51 Hình 3.5: Mô hình một hệ thống MIMO. - 52 Hình 3.6: Hệ thống VLC MIMO. - TS Hà Duyên Trung HV: Nguyễn Ngọc Nam x LỜI MỞ ĐẦU Mạng thông tin quang không dây là xu thế phát triển hiện nay và hứa hẹn thay thế nhiều ứng dụng đang sử dụng mạng có dây. - Hệ thống thông tin quang không dây sử dụng ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communication – VLC) ra đời dựa trên cơ sở ứng dụng những thành tựu khoa học kỹ thuật của công nghệ chế tạo thiết bị chiếu sáng cụ thể là LED và công nghệ thông tin. - Vì vậy, trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu về hệ thống thông tin quang sử dụng ánh sáng nhìn thấy, em đã lựa chọn đề tài “ Nghiên cứu ứng dụng của công nghệ MIMO trong hệ thống thông tin quang sử dụng ánh sáng nhìn thấy”. - Luận văn gồm có những nội dung chính như sau: Chương 1: “Giới thiệu về công nghệ thông tin sử dụng ánh sáng nhìn thấy” sẽ đưa ra những định nghĩa cơ bản, cấu trúc, ứng dụng của hệ thống quang không dây sử dụng ánh sáng nhìn thấy và những ưu điểm của nó so với hệ thống thông tin vô tuyến hiện nay. - Chương 2: “Hệ thống VLC sử dụng nguồn sáng LED” sẽ trình bày những vấn đề liên quan đến hệ thống VLC dùng nguồn sáng LED. - đồng thời đưa ra một số tham số đánh giá hiệu năng và những vấn đề gặp phải của hệ thống VLC sử dụng nguồn sáng LED. - TS Hà Duyên Trung HV: Nguyễn Ngọc Nam 1 CHƢƠNG 1 - GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN SỬ DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY Ngày nay, truyền thông quang không dây (Optical Wireless Communication - OWC) đang nổi lên như là một công nghệ có thể phát triển cho các ứng dụng vô tuyến băng rộng trong nhà và ngoài trời thế hệ kế tiếp. - Đây cũng là nền tảng cho công nghệ thông tin sử dụng ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communication – VLC) 1.1. - Giới thiệu về truyền thông quang không dây Truyền thông quang không dây OWC là công nghệ viễn thông sử dụng sự lan truyền của ánh sáng trong không gian để truyền tín hiệu [1]. - LED và LD có thể được sử dụng làm nguồn quang và đi-ốt tách quang được sử dụng làm bộ tách sóng quang. - Công nghệ OWC có thể được sử dụng làm đường truyền kết nối số liệu trong các tòa nhà (kết nối giữa các mạng LAN) hay làm đường truyền dẫn tốc độ cao cho người dùng Internet với nhà cung cấp hoặc các mạng khác. - TS Hà Duyên Trung HV: Nguyễn Ngọc Nam 2 như: không yêu cầu cấp phép dải tần vô tuyến, không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ, dễ dàng triển khai lắp đặt, cung cấp tuyến truyền thông tốc độ cao với khả năng an toàn bảo mật lớn, công nghệ OWC hứa hẹn sẽ được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống[2]. - Nguồn năng lượng này có thể được cung cấp bởi pin nên các thiết bị này có khả năng di chuyển được, kích thước nhỏ gọn, dễ sử dụng. - Truyền thông quang không dây sử dụng ánh sáng nhìn thấy Truyền thông quang ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communication – VLC) là một công nghệ truyền thông sử dụng ánh sáng trong dải nhìn thấy có tần số từ 384THz đến 780THz . - Việc sử dụng ánh sáng ở tần số nhìn thấy giúp VLC vừa có thể chiếu sáng đồng thời với việc truyền dữ liệu. - TS Hà Duyên Trung HV: Nguyễn Ngọc Nam 4 VLC sử dụng các LEDs để phục vụ cho việc chiếu sáng và trao đổi dữ liệu giữa các đầu cuối. - OWC sử dụng cả tia hồng ngoại (infra-red) và tia cực tím (ultra-violet) để truyền thông tin tương tự như ánh sáng nhìn thấy. - Tuy nhiên, chính việc sử dụng năng lượng vừa dùng để chiếu sáng vừa để truyền thông tin đã khiến cho công nghệ VLC trở nên ưu việt hơn cả. - Lịch sử phát triển của VLC Ý tưởng sử dụng ánh sáng nhìn thấy để truyền tải thông tin thực ra không hề mới. - Sử dụng kỹ thuật này chúng ta có thể có được tốc độ truyền dữ liệu rất lớn trong khi vẫn giữ được công dụng chiếu sáng của bóng đèn. - Công nghệ sử dụng ánh sáng để truyền thông tin còn được gọi với cái tên “Li-Fi” (Light Fidelity). - 2005 Thử nghiệm thực tế hệ thống truyền dẫn VLC tới điện thoại di động với tốc độ 10kb/s và ~Mb/s sử dụng đèn huỳnh quang và LED tại Nhật Bản. - 2007 Hiệp hội VLC (VLCC) tại Nhật Bản đưa ra hai chuẩn: Tiêu chuẩn cho hệ thống định danh sử dụng ánh sáng và tiêu chuẩn cho hệ thống VLC. - Thực hiện truyền dẫn sử dụng 5 đèn LED với tốc độ ~100Mb/s. - 2010 Phát triển tiêu chuẩn cho các công nghệ sử dụng VLC bởi IEEE. - 2011 Trình diễn hệ thống truyền dẫn VLC-OFDM với tốc độ 124Mb/s, sử dụng LED trắng phủ phosphor, đại học Edinburgh, Anh. - Tính chất của VLC VLC là công nghệ truyền dữ liệu sử dụng ánh sáng nhìn thấy với bước sóng từ 380 nm đến 780 nm. - Cuối cùng, do sử dụng ánh sáng nhìn thấy làm phương tiện truyền dữ liệu nên VLC có chi phí thấp hơn so với các công nghệ truyền thông phổ biến hiện nay. - Ứng dụng của công nghệ VLC Với những ưu điểm nổi bật, VLC được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực [5. - TS Hà Duyên Trung HV: Nguyễn Ngọc Nam 9 - Hàng không: Như ta đã biết, sử dụng các thiết bị vô tuyến là không được phép khi lên máy bay – nơi mà các thiết bị chiếu sáng LEDs vẫn được phép hoạt động bình thường. - Bên cạnh đó, công nghệ này có thể sử dụng để xây dựng các hệ thống định vị quản lý bệnh nhân. - So sánh VLC với một số công nghệ truyền thông khác hiện nay Hiện nay, phần lớn các hệ thống truyền dữ liệu không dây sử dụng tần số vô tuyến (300MHz – 3GHz) cho các dịch vụ thông tin. - Hiệu năng - Chi phí thấp: Công nghệ VLC yêu cầu ít thành phần hơn so với công nghệ sử dụng sóng điện từ. - Sử dụng đèn LED để chiếu sáng thực sự rất hiệu quả (bóng đèn LED hiện nay tiết kiệm hơn 50% điện năng so với bóng thông thường) và năng lượng dùng cho truyền dẫn dữ liệu là không đáng kể. - Điều khiển: Dữ liệu sẽ được chuyển trực tiếp từ một thiết bị sang thiết bị khác và người sử dụng hoàn toàn có thể nhìn thấy và biết được dữ liệu của Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật GVHD. - TS Hà Duyên Trung HV: Nguyễn Ngọc Nam 13 CHƢƠNG 2 - HỆ THỐNG VLC SỬ DỤNG NGUỒN SÁNG LED Hiện nay, nhờ những tính chất phù hợp, công nghệ VLC được ứng dụng chủ yếu để cung cấp khả năng chiếu sáng và truyền dữ liệu đồng thời ở cự ly ngắn. - Hình 2.1: Mô hình hệ thống VLC cơ bản Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật GVHD. - Phía phát của hệ thống VLC 2.2.1. - TS Hà Duyên Trung HV: Nguyễn Ngọc Nam 16 Hình 2.4: Phổ công suất của LED Hầu hết các thiết bị chiếu sáng hiện nay sử dụng LED xanh được phủ một lớp phosphor vàng để tạo ra nguồn sáng trắng thay vì sử dụng ánh sáng trắng được tạo ra bởi ba màu cơ bản đỏ, lục, và lam như trước đây. - Băng thông điều chế có thể được cải thiện lên 20-25 Mhz bằng cách loại bỏ phần đáp ứng chậm trong phổ ánh sáng nhờ sử dụng bộ lọc quang [9]. - Do đó, chỉ khoảng 50% năng lượng ánh sáng được sử dụng. - Phƣơng pháp điều chế Khóa dịch màu (Color-Shift Keying) Như ta đã biết, ánh sáng trắng từ LED có thể tạo ra theo hai cách, cách thứ nhất sử dụng LED đơn chip xanh phủ phosphor. - Ví dụ như đối với điều chế 4-CSK (hai bit cho một ký hiệu), một trong bốn bước sóng thích hợp (màu sắc) sẽ được sử dụng cho một cặp bit. - Hình 2.10: Điều chế DMT Trong DMT, các sóng mang con trực giao gần nhau đươc sử dụng để mang thông tin. - Tuy nhiên, kỹ thuật DMT vẫn còn những hạn chế như sử dụng năng lượng không hiệu quả. - Hơn nữa, nếu sử dụng kỹ thuật DMT như trong truyền thông sóng vô tuyến, tốc độ sẽ bị giới hạn do sóng mang yêu cầu cao hơn nhiều so với tín hiệu thực tế. - Tuy nhiên, trong truyền thông quang không dây sử dụng kỹ thuật IM/DD, tín hiệu cần thỏa mãn điều kiện không âm, tức là phía phát phải cắt bỏ tất cả các tín hiệu âm về 0. - Đó chính là lí do hầu hết các hệ thống VLC tốc độ cao ( ~100Mb/s) chọn kỹ thuật DMT nhưng giới hạn sử dụng cho các ứng dụng có phạm vi ngắn trong nhà, nơi yêu cầu SNR tốt. - Mô hình kênh truyền IM/DD Truyền thông VLC sử dụng hệ thống điều chế cường độ và tách sóng trực tiếp IM/DD. - Giả thiết trên sẽ phù hợp với loại hệ thống sử dụng ánh sáng trực tiếp và không có thành phần đa đường hoặc hệ thống với băng thông từ 10-100 MHz (có chu kỳ ký hiệu dài). - Các tham số hiệu năng kênh Suy hao tín hiệu Mô hình đường truyền khuếch tán được mô tả như hình 2.11 đã được sử dụng để đánh giá các tham số hiệu năng truyền thông của hệ thống VLC [10] Hình 2.14: Đƣờng truyền LoS khuếch tán trong kênh suy hao tín hiệu Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật GVHD. - Để đơn giản nhất, ta có thể lấy ví dụ với việc sử dụng kỹ thuật điều chế OOK [11]. - Mô hình kết nối VLC Cũng giống như các hệ thống thông tin không dây khác, hoạt động của VLC cũng chịu ảnh hưởng rõ rệt từ mô hình kết nối sử dụng. - Theo đó, phía phát sẽ phát nhiều luồng dữ liệu khác nhau theo các hướng không gian khác nhau để cho phép nhiều người dùng có thể sử dụng chung một bước sóng ánh sáng. - Kiến trúc ghép kênh phân chia theo không gian này còn có thể sử dụng để theo bám các luồng thông tin quang. - Phía thu của hệ thống VLC 2.5.1. - Bộ tập trung quang thường được sử dụng trong VLC là bộ tập trung quang CPC (Compound Parabolic Concentrator). - Phương pháp chính để xử lý tín hiệu quang truyền đến trong hệ thống VLC đó chính là sử dụng Diode tách quang. - TS Hà Duyên Trung HV: Nguyễn Ngọc Nam 40 Hình 2.21: Cấu trúc Diode thác APD Trong VLC thường sử dụng Diode Pin và APD silicon với độ nhạy quang từ 190nm đến 1000nm, phù hợp với khoảng bước sóng của VLC. - Các hiện tượng này có thể được giảm thiểu bằng cách tăng FOV và sử dụng bộ tập trung quang. - Một vài phương pháp đã được nghiên cứu, trong đó một đường lên bằng ánh sáng hồng ngoại được sử dụng cùng với nguồn VLC. - Ngoài ra, một bộ thu phát phản xạ có thể được sử dụng để phản xạ một phần ánh sáng tới quay ngược lại phía nguồn phát, và ánh sáng phản xạ này được điều chế để cung cấp một tuyến dữ liệu từ thiết bị đầu cuối quay về phía Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật GVHD. - Hình 2.23 chỉ ra một ví dụ về việc sử dụng bộ thu phát phản xạ để tạo ra kết nối đường lên cho ứng dụng xác nhận thẻ nhận dạng. - Trong hầu hết các ứng dụng chiếu sáng hiện nay, rất nhiều LED được sử dụng để cung cấp cường độ chiếu sáng cần thiết. - TS Hà Duyên Trung HV: Nguyễn Ngọc Nam 47 CHƢƠNG 3 - CÔNG NGHỆ MIMO TRONG HỆ THỐNG VLC TRONG NHÀ. - Mô hình hệ thống VLC trong nhà 3.1.1. - Hiệu ứng chắn sáng có thể được giải quyết bằng cách sử dụng nguồn sáng được phân bố khắp trong phòng. - Mô hình kênh truyền Do đèn LED được sử dụng với mục đích chiếu sáng đồng thời với truyền thông, nên giá trị về cường độ sáng và công suất phát quang cần được xem xét đến. - Cường độ sáng ở đây được sử dụng để thể hiện độ sáng của đèn LED. - trong khi công suất phát quang được sử dụng để mô tả năng lượng bức xạ ra từ các LED [14]. - (3.9) Hình 3.4: Mô hình đa LED Việc sử dụng hệ thống đa đèn LED cho các ứng dụng VLC trong nhà bắt nguồn từ các lý do sau : (i) hầu hết các phòng sử dụng nhiều nguồn sáng để đảm bảo mức độ sáng đủ và (ii) đáp ứng phân tập không gian. - Sử dụng MIMO trong hệ thống VLC trong nhà Để đạt được tốc độ truyền dẫn dữ liệu cao hơn, có thể sử dụng phương pháp truyền dẫn dữ liệu song song từ nhiều LED. - (ii) Tăng độ lợi phân tập: làm giảm hiện tượng fading thông qua việc sử dụng hệ thống anten phân tập, nâng cao chất lượng hệ thống, (iii) Tăng hiệu quả phổ: bằng cách sử dụng ghép kênh không gian. - Phân tập không gian là phương pháp đã được sử dụng rộng rãi trong thông tin vô tuyến. - Khi sử dụng nhiều anten ở máy phát, chúng ta có hệ thống phân tập không Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật GVHD. - TS Hà Duyên Trung HV: Nguyễn Ngọc Nam 53 gian phát, và tương tự chúng ta có phân tập không gian thu nếu sử dụng nhiều anten thu. - Mô hình MIMO sử dụng nhiều thiết bị phát (LED) và nhiều thiết bị thu nhằm cải thiện tốc độ cũng như đáp ứng các yêu cầu cơ bản của hệ thống. - Phía thu cũng sử dụng 4 máy thu tương ứng để thu tín hiệu. - Bốn đèn LED được sử dụng để chiếu sáng trong phòng đồng thời truyền dẫn bốn luồng dữ liệu độc lập. - Luồng dữ liệu chuỗi đầu vào được sắp xếp và sử dụng để điều chế các dãy LED. - Hình (3.13) và (3.14) mô tả công suất thu được tại các vị trí của phòng trong trường hợp sử dụng 4 LED phân bố trên trần phòng như ở bảng và sử dụng 1 LED tại chính giứa trần phòng Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật GVHD. - TS Hà Duyên Trung HV: Nguyễn Ngọc Nam 62 b) Trường hợp dùng 1 đèn LED Hình 3.10: Tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm SNR Kết quả mô phỏng hình (3.17) cho thấy sự phân bố SNR trong trường hợp sử dụng 4 LED. - Cùng với đó, hình (3.16) cho thấy SNR thu được trong trường hợp chỉ sử dụng 1 LED đơn. - TS Hà Duyên Trung HV: Nguyễn Ngọc Nam 64 của hệ thống VLC cho các mục đích chiếu sáng và truyền tín hiệu. - Luận văn đã trình bày những lý thuyết tổng quan nhất về hệ thống thông tin quang sử dụng ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communication – VLC)
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt