- 20 1.5 Các thành phần trong hệ thống VLC. - 33 1.6 Ứng dụng của VLC trong hệ thống giao thông thông minh. - 38 CHƢƠNG 2 - HỆ THỐNG GIAO THÔNG THÔNG MINH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VLC 39 2.1 Giới thiệu. - 39 2.1 Giới thiệu hệ thống giao thông thông minh (ITS. - 39 2.1.1 Sự cần thiết của hệ thống giao thông thông minh. - 39 2.1.2 Đặc tính quan trọng của hệ thống giao thông thông minh. - 45 2.3.3 So sánh giữa hệ thống VLC và hệ thống vô tuyến. - 46 2.4 Hệ thống VLC ứng dụng trong ITS. - 48 2.5 Kiến trúc hệ thống VLC ứng dụng trong hệ thống ITS. - 50 2.5.3 Kênh truyền VLC trong hệ thống ITS. - 53 CHƢƠNG 3 - MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT VÀ ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN CỦA HỆ THỐNG VLC ỨNG DỤNG TRONG ITS 54 3.1 Giới thiệu. - 54 3.2 Phân tích đặc tính thành phần phát trong hệ thống VLC ứng dụng cho hệ thống ITS. - 55 3.2.1 Đặc điểm thiết bị phát của hệ thống ITS ứng dụng công nghệ VLC. - 77 4.1.1 Mô tả hệ thống. - 83 4.2.2 Đánh giá chất lƣợng của hệ thống qua tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR. - 21 Hình 1.5 Mô hình của một hệ thống VLC. - 21 Hình 1.6 Thành phần phía phát của hệ thống VLC. - 27 Hình 1.13 Thành phần thu của hệ thống VLC. - 31 Hình 1.19 Sơ đồ khối của máy thu của hệ thống IM/DD điển hình. - 36 Hình 1.21 Hệ thống giao thông thông minh sử dụng VLC. - 48 Hình 2.5 Kiến trúc hệ thống VLC cho việc quảng bá thông tin trong hệ thống ITS 49 Hình 2.6 (a) Cấu hình hệ thống VLC car-to-car, (b) Sự phản xạ từ mặt đƣờng ( phản xạ phân tán. - 75 Hình 4.1 Mô hình hệ thống ITS đơn giản ứng dụng công nghệ VLC. - Hiện nay, giao thông thông minh đang là một hệ thống đƣợc xây dựng và phát triển nhằm giảm tắc nghẽn và đảm bảo an toàn giao thông. - Giao thông thông minh (ITS) là hệ thống giao thông ứng dụng các công nghệ, trong đó có công nghệ VLC. - Công nghệ VLC giúp cho các thành phần trong hệ thống ITS có thể trao đổi thông tin với nhau ví dụ thông tin giữa các phƣơng tiện với nhau, thông tin giữa phƣơng tiện tham gia giao thông và các thiết bị KỸ THUẬT VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ 11 hạ tầng giao thông nhƣ đèn tín hiệu giao thông. - Từ đó, hệ thống ITS ứng dụng công nghệ VLC có thể đƣợc xem nhƣ là một hệ thống giao thông tiên tiến không những cung cấp hạ tầng phục vụ cho việc di chuyển của các phƣơng tiện mà còn trao đổi, dự báo và kiểm soát thông tin giữa các thành phần trong hệ thống. - Các thành phần trong hệ thống có thể hoạt động không bị xung đột với nhau tránh gây ra vấn đề về tắc nghẽn và vấn đề tai nạn giao thông. - Đồng thời, ứng dụng công nghệ VLC cho hệ thống giao thông thông minh tận dụng dƣợc ƣu điểm của đèn LED cho cả hai việc chiếu sáng và truyền tin, giúp tận dụng hạ tầng và giảm giá thành cho các hệ thống. - Trong luận văn, mô hình hệ thống VLC ngoài trời ứng dụng cho hệ thống giao thông thông minh đƣợc đề xuất. - Chƣơng 2: Hệ thống giao thông thông minh ứng dụng công nghệ VLC. - Chƣơng 3: Mô hình nguồn phát và đặc tính kênh truyền của hệ thống VLC ứng dụng trong ITS. - KỸ THUẬT VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ 12 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY 1.1 Giới thiệu Truyền thông bằng ánh sáng nhìn –VLC là cái tên đƣợc đƣa ra cho một hệ thống thông tin không dây mang thông tin bằng cách điều chế trong phổ ánh sáng nhìn thấy (400-700nm), dải phổ đƣợc sử dụng cho việc chiếu sáng. - 2007 Hiệp hội VLC (VLCC) tại Nhật Bản đƣa ra hai chuẩn: Tiêu chuẩn cho hệ thống định danh sử dụng ánh sáng và tiêu chuẩn cho hệ thống VLC. - 2010 Truyền dẫn với hệ thống VLC đạt tốc độ 500Mb/s với khoảng cách 5m, thực hiện bởi Siemen và viện Heinrich Het, Đức. - 2011 Trình diễn hệ thống truyền dẫn VLC-OFDM với tốc độ 124Mb/s, sử dụng LED trắng phủ phosphor, đại học Edinburgh, Anh. - KỸ THUẬT VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ 19 Hình 1.2 VLC ở trong một khoang của máy bay 1.4.2 Chiếu sáng thông minh Các tòa nhà thông minh yêu cầu các hệ thống chiếu sáng . - KỸ THUẬT VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ 21 Hình 1.4 Các thiết bị y tế nhạy cảm với sóng vô tuyến có thể làm việc với VLC 1.5 Các thành phần trong hệ thống VLC Một hệ thống VLC bao gồm 3 thành phần chính: Hệ thống phát, kênh truyền và hệ thống thu. - Hình 1.5 mô tả mô hình của một hệ thống VLC. - Điều khiển làm mờ (Dimming control)Mạch điều khiển Ma trận LED và các thấu kính quang họcKênh truyền h(t)Bộ tập trung quang Bộ tách sóng quangBộ lọc quangBộ khuếch đạiDữ liệu vàoDữ liệu raModule truyền tin (communication module) Hình 1.5 Mô hình của một hệ thống VLC 1.5.1 Phía phát 1.5.1.1 Cấu trúc của phía phát Các thành phần của phía phát của VLC là thiết bị phát bán dẫn ánh sáng nhìn thấy, nó có thể là LED hoặc Laser bán dẫn, phụ thuộc vào ứng dụng, mạch KỸ THUẬT VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ 22 điều chỉnh độ sáng (dimming control) và mạch điều khiển LED (điều chế) (hình 1.6). - 1.5.1.3 Phân loại LED Hệ thống phát sử dụng các đèn LED để truyền tải thông tin với tốc độ lên tới hàng trăm Mb/s. - KỸ THUẬT VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ 28 Bộ tập trung quangBộ lọc quangBộ chuyển đổi quang điệnKhuếch đạiGiải điều chếDƣ liệu vàoDữ liệu ra Hình 1.13 Thành phần thu của hệ thống VLC Các thành phần chính của diode tách sóng quang là một loại của bộ tách sóng quang có thể chuyển đổi ánh sáng trong một dòng photon. - Hệ thống VLC nhạy cảm với ánh sáng mặt trời và các nguồn chiếu sáng khác, vì thế bộ lọc quang là rất quan trọng trong việc nhận tín hiệu ở một dải bƣớc sóng nào đấy và loại bỏ các thành phần nhiễu không mong muốn. - Hiện nay, hệ thống giao thông thông minh (ITS) đang nổi lên giải quyết các vấn đề về tăng độ an toàn khi tham gia giao thông và giảm số lƣợng tai nạn giao thông cũng nhƣ tăng hiệu quả của đèn tín hiệu giao thông (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 thông nhƣ là đèn tín hiệu giao thông và bảng báo hiệu. - Hình 1.21 Hệ thống giao thông thông minh sử dụng VLC KỸ THUẬT VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ 38 Vì lý do đó luận văn tập trung nghiên cứu về hệ thống VLC và ứng dụng của hệ thống VLC trong hệ thống giao thông thông minh. - 1.7 Kết luận chƣơng Chƣơng 1 đã trình bày khái quát về hệ thống truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy với các đặc điểm quan trọng, các thành phần cụ thể và ứng dụng của công nghệ này. - 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 thông thông minh 2.1.2.1 Tính toán tự động Tính toán tự động là một yêu cầu quan trọng của ITS. - 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. - 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. - 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. - Tuy nhiên, với tiến bộ của các hệ thống không dây khoảng cách dài, các phƣơng tiện có thể giao tiếp với nhau. - Có nhiều ứng dụng và dịch vụ an toàn giao thông mức độ ƣu tiên cao của hệ thống VLC trong mạng lƣới các phƣơng tiện. - Hệ thống ITS sử dụng một số công nghệ trong quá trình phát triển. - 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. - Mô 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. - Tóm lại, kiến trúc cụ thể các kiến trúc giao thức tham chiếu của các hệ thống ITS. - KỸ THUẬT VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ 45 2.3.2 Kiến trúc truyền thông của ITS Một hệ thống truyền thông nói chung cho ITS đƣợc đƣa ra ở hình 2.2. - Tuy nhiên các hệ thống vô tuyến không có hiệu quả về giá. - KỸ THUẬT VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ 47 2.4 Hệ thống VLC ứng dụng trong ITS Hệ thống thông tin đƣờng xá tới các phƣơng tiện sử dụng đèn tín hiệu giao thông LED. - Vì thế đề tài nghiên cứu đề xuất hệ thống thông tin quang không dây dựa trên đèn tín hiệu giao thông LED nhƣ là phía phát và camera tốc độ cao nhƣ là thành phần phía thu. - RSUs nhƣ là các đèn tín hiệu giao thông phù hợp với thông tin quảng bá trong chế độ I2V của các hệ thống thông tin phƣơng tiện. - 2.4.2 Kịch bản thứ hai Hình 2.4 Kịch bản tích hợp đèn tín hiệu giao thông 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. - Dựa trên các tín hiệu này, thông tin qua hệ thống máy phát của VLC tới đèn giao thông để phát dữ liệu cùng với báo hiệu. - Thêm vào đó, khối điều khiển (monitor unit) có thể ở trong hệ thống để hỗ trợ thông tin cùng với các RSUs. - 2.5 Kiến trúc hệ thống VLC ứng dụng trong hệ thống ITS. - Các hệ thống VLC trở thành một công nghệ hữu ích cho tƣơng lai trong việc truyền dẫn dữ liệu không dây nhờ sự phát triển của công nghệ chiếu sáng bán dẫn. - Nói chung, thiết kế các hệ thống VLC cho các ứng dụng ngoài trời khá khó và phức tạp. - 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 thông tin giao thông. - KỸ THUẬT VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ 54 CHƢƠNG 3 - MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT VÀ ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN CỦA HỆ THỐNG VLC ỨNG DỤNG TRONG ITS 3.1 Giới thiệu Các hệ thống VLC sử dụng máy phát LED cho truyền dẫn thông tin. - Tuy nhiên, khi không có các đèn chiếu sáng đƣờng LED, topo hệ thống các đèn tín hiệu giao thông chiếu sáng VLC trở nên linh động và đƣợc mô tả bởi sự biến đổi của kênh truyền dẫn. - Vấn đề thứ nhất: phân tích một mô hình hệ thống đèn tín hiệu giao thông 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. - Chiếu sáng đƣờng sử dụng LED có thể giúp bỏ đi nhiều hệ thống truyền thông, ví dụ nhƣ các đèn hiệu hồng ngoại (infrared beacons). - Hệ thống đèn tín hiệu giao thông dựa trên LED bao gồm nhiều LED, hàng trăm HB-LED đƣợc phân bố trong không gian. - Các hệ thống đèn tín hiệu giao thông dựa trên LED có thể bao gồm nhiều HB-LED đƣợc phân bố trong không gian. - Phƣơng trình (3.20) có thể viết lại 3.3 Mô hình kênh Hệ thống VLC cho ứng dụng ngoài trời yêu cầu lan truyền LoS. - 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. - KỸ THUẬT VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ 77 CHƢƠNG 4 - MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1 Mô hình mô phỏng WW xych2hhTx: đèn tín hiệu giao thông dựa trên LEDRx: PD tốc độ cao zTrung tâm điều khiển giao thôngThông tin giao thông thời gian thựcThông tin giao thông thời gian thựcBắt đầu dịch vụ (service start)Kết thúc dịch vụ (service end)Diện tích dịch vụ (service area)FOVLàn 2Làn 1 rnhpaα (x,y,z)(x,y,z)d'd Hình 4.1 Mô hình hệ thống ITS đơn giản ứng dụng công nghệ VLC 4.1.1 Mô tả hệ thống Một hệ thống ITS đơn giản đƣợc mô tả ở hình 4.1. - Ở trong hệ thống hình 4.1, đèn tín hiệu giao thông có chức năng là máy phát và đèn nằm trên ô tô có chức năng là máy thu. - Chiều cao của đèn tín hiệu giao thông. - Đồng thời mô phỏng tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR của hệ thống theo các tọa độ (x,y,z) Từ đó đánh giá đƣợc chất lƣợng của hệ thống ITS dựa trên công nghệ VLC 4.1.2 Mô phỏng độ lợi lan truyền quang. - 4.1.3 Mô phỏng tỷ số SNR dƣới tác động của nhiễu Nhiễu ánh sáng nền tồn tại nhƣ là một giới hạn chính cho truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao trong hệ thống VLC. - 0.54(A/W) Hệ số nhiễu kênh của FET 1.5 Bậc của mô hình Lambertan (m) 1 Dòng nhiễu nền nhận đƣợc 5100A Điện tích (q) 1.6x10-19 Bảng 4.3 Các tham số cho tính toán SNR Phƣơng sai của nhiễu tổng đƣợc biểu diễn nhƣ sau: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ 83 2 2 2ertotal th mal shot (4.9) Ở đây ta sử dụng điều chế OOK trong hệ thống VLC, với một kênh AWGN. - 4.2.2 Đánh giá chất lƣợng của hệ thống qua tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR Nhƣ vậy công suất đầu ra phụ thuộc vào các giá trị tọa độ x và y. - Do đó, có thể khảo sát chất lƣợng hệ thống qua tỷ số SNR phụ thuộc vào các tham số tọa độ x và y. - Hình 4.6 Tỷ số SNR theo tọa độ x và y với tốc độ 103bit/s KỸ THUẬT VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ 87 Hình 4.7 Tỷ số SNR theo tọa độ x và y với tốc độ 103bit/s Trong quá trình mô phỏng, chất lƣợng của hệ thống qua tỷ số SNR đƣợc đánh giá với các tốc độ bit khác nhau. - Chƣơng 4 đƣa ra mô hình mô phỏng và đánh giá chất lƣợng của hệ thống VLC ứng dụng cho ITS. - Qua khảo sát ta thấy hệ thống chƣa đạt đƣợc chất lƣợng BER mong muốn với khoảng cách giữa phƣơng tiện và đèn tín hiệu cách xa. - Do đó cần có giải pháp nâng cao tốc độ và khoảng cách truyền dẫn cho hệ thống VLC ứng dụng cho ITS. - KẾT LUẬN ĐỀ TÀI Các hệ thống VLC từ sự phát triển của LED là một công nghệ quan trọng. - Trong các hệ thống giao thông thông minh, VLC là một ứng dụng lý tƣởng và quan trọng cho sự an toàn của con ngƣời. - Trong luận văn này, công nghệ VLC ứng dụng trong hệ thống ITS đƣợc nghiên cứu chi tiết. - Một hệ thống quảng bá thông tin cho các ứng dụng an toàn giao thông trong ITS là một ví dụ đƣợc nghiên cứu trong luận văn. - Đồng thời luận văn cũng đề cập đến sự phát triền và thiết kế của LED, cụ thể là ma trận các LED để phù hợp với hệ thống đèn tín hiệu giao thông với mục đích tối ƣu việc chiếu sáng trong một khu vực dịch vụ. - Hệ thống ITS ứng dụng công nghệ VLC đƣa ra hai chức năng cho LED chức năng báo hiệu và chức năng quảng bá thông tin giao thông, do đó có thể đƣợc coi nhƣ là một sự bổ sung cho các hệ thống truyền tin. - THÁCH THỨC Tuy nhiên, hệ thống VLC ứng dụng cho ITS còn nhiều thách thức và cần đƣợc giải quyết: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ 90 - Vấn đề về triển khai hệ thống Triển khai hệ thống là một trong những thách thức có thể dự đoán đƣợc. - Để triển khai hệ thống VLC cho hoạt động hiệu quả cần phải tuân theo chuẩn hƣớng dẫn và chuẩn đó rất cần thiết cho việc sửa chữa cài đặt các đèn tín hiệu giao thông
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt