Luận văn Phân tích và đánh giá hiệu năng mạng VLC trong nhà dựa trên công nghệ CDMA
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
-------***-------
NGUYỄN XUÂN SƠN
PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG VLC
TRONG NHÀ DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ CDMA
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 8.52.02.08
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
( Theo định hướng ứng dụng)
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. PHẠM THỊ THÚY HIỀN
Hà Nội - 2021
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu mà tôi đã thực hiện dưới sự
hướng dẫn của TS. Phạm Thị Thúy Hiền. Các số liệu, kết quả trong luận văn là
trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn
NGUYỄN XUÂN SƠN
ii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
MỤC LỤC.................................................................................................................. ii
DANH MỤC BẢNG................................................................................................ vii
1.1 Tổng quan về công nghệ VLC..........................................................................1
1.1.1 Giới thiệu về công nghệ VLC ....................................................................1
1.1.2 Lịch sử phát triển công nghệ VLC.............................................................1
1.1.3 Đặc điểm công nghệ VLC..........................................................................5
1.1.3.1 Dung lượng..........................................................................................5
1.1.3.2 An toàn ................................................................................................5
1.1.3.3 Bảo mật................................................................................................5
1.2 Cấu trúc hệ thống VLC.....................................................................................6
1.2.1 Mô hình hệ thống .......................................................................................6
1.2.2 Phía phát.....................................................................................................7
1.2.2.1 Cấu trúc phía phát................................................................................7
1.2.2.2 Hoạt động của LED.............................................................................7
1.2.2.3 Phân loại đèn LED ..............................................................................8
1.2.3 Kênh truyền..............................................................................................11
1.2.3.2 VLC đa kênh .....................................................................................12
1.2.4 Phía thu.....................................................................................................13
1.2.4.1 Bộ tách sóng quang ...........................................................................13
1.2.4.2 Bộ tập trung quang ............................................................................15
iii
1.2.4.3 Bộ lọc quang......................................................................................16
1.3 Ứng dụng của VLC trong cuộc sống ..............................................................24
1.4 Kết luận chương..............................................................................................27
2.2 Kỹ thuật trải phổ .............................................................................................28
2.2.1 Trải phổ chuỗi trực tiếp............................................................................30
2.2.2 Trải phổ nhảy tần số.................................................................................32
2.2.3 Trải phổ nhảy thời gian ............................................................................33
2.3.3.1 Mã nguyên tố 1D...............................................................................36
iv
2.4 Kết luận chương..............................................................................................42
TRÊN KỸ THUẬT CDMA......................................................................................43
3.1 Giới thiệu chung..............................................................................................43
3.2 Mạng và mô hình kênh ...................................................................................46
3.2.1 Mã hóa mạng tương tự .............................................................................46
3.2.2 Mô hình kênh VLC ..................................................................................49
3.3 Phân tích hiệu năng.........................................................................................50
3.3.1 Tỉ lệ lỗi bit................................................................................................51
3.3.2 Thông lượng mạng ...................................................................................53
3.4 Các kết quả số liệu ..........................................................................................55
3.5 Kết luận chương..............................................................................................60
v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
Tiếng Anh
Tiếng Việt
BER
Bit error rate
Tỷ lệ bit lỗi
Điều chế cường độ, phát
hiện trực tiếp
IM/DD
Intensity Modulation/ Direct Detection
LED
LOS
Light emmiting diode
Light of Sight
Đèn LED
Tâm nhìn thẳng
NLOS
OLED
PPM
None Light of Sight
Tầm nhìn không thẳng
Đèn quang điện hữu cơ
Điều chế vị trí xung
Organic Light emmiting diode
Pulse Position Modulation
Mô hình màu đỏ, xanh lá,
RGB
SNR
Red Green Blue
Signal to Noise Ratio
xanh làm
Tỉ số tín hiệu trên tạp âm
Truyền thông bằng ánh
sáng nhìn thấy
VLC
Visible light communication
Pulse Width Modulation
PWM
FDMA
Điều chế độ rộng xung
Đa truy nhập phân chia
Frequency Division Multiple Access
theo tần số
CPC
APD
Compound Parabolic Concentrator
Avalanche Photo-Diode
Bộ tập trung quang
Diode quang thác điện tử
Điều chế khóa dịch màu
Ánh sáng bán dẫn
CSK
Color-Shift Keying
SSL
Solid-State Sighting
NRZ-OOK
Non-Return-to-Zero ON/OFF Keying
Mã hóa không trở về
vi
không
VPM
Variable Pulse Position Modulation
Code Division Multiple Access
Điều chế xung biến đổi
Đa truy nhập phân chia
CDMA
theo mã
Đa truy nhập phân chia
OCDMA
TDMA
Optical Code Division Multiple Access
Time Division Multiple Access
theo mã quang
Đa truy nhập phân chia
theo thời gian
Đa truy nhập phân chia
theo bước sóng
WDMA
Wavelength Division Multiple Access
vii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Lịch sử phát triển của VLC .........................................................................3
Bảng 2.1 Phép toán cộng và nhân trong GF(7).........................................................37
Bảng 2.2 Chuỗi nguyên tố Si trong GF(7) ................................................................38
Bảng 2.3 Bộ mã nguyên tố trong GF(7)....................................................................38
Bảng 2.4: Mã nguyên tố xây dựng từ p = 5 ..............................................................39
Bảng 2.5 Bộ mã nguyên tố 2D p=5...........................................................................40
Bảng 3.1 Các hằng số và tham số mạng ...................................................................55
viii
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Dải phổ ánh sáng nhìn thấy..........................................................................1
Hình 1.2 Mô hình của một hệ thống VLC ..................................................................7
Hình 1.3 Thành phần phía phát của hệ thống VLC ....................................................7
Hình 1.4: Cơ chế hoạt động của LED.........................................................................8
Hình 1.5 Phân loại LED..............................................................................................9
Hình 1.6 Hai cách tạo ra ánh sáng trắng từ LED ......................................................10
Hình 1.8 Mô hình kênh truyền LOS .........................................................................12
Hình 1.9 Thành phần thu hệ thống VLC...................................................................13
Hình 1.10 Cấu trúc Diode PIN..................................................................................14
Hình 1.11 Cấu trúc Diode thác APD.........................................................................15
Hình 1.12 Bộ tập trung quang CPC ..........................................................................15
Hình 1.13 Quá trình phản xạ tại CPC .......................................................................16
Hình 1.14 Điều chế NRZ-OOK ................................................................................17
Hình 1.17 Hàm cơ sở của 2-PPM..............................................................................20
ix
Hình 1.33 VLC trong truyền thông dưới nước .........................................................25
Hình 1.34 Ứng dụng VLC trong bệnh viện ..............................................................26
Hình 1.35 Ứng dụng VLC trong định vị...................................................................26
Hình 2.3 Phổ của tín hiệu trước và sau khi trải phổ..................................................31
Hình 2.5 Phổ của tín hiệu FH – SS ...........................................................................32
Hình 2.6 Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu FH – SS..............................................32
Hình 2.8 Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu TH – SS .............................................33
Hình 2.9 Chia sẻ tài nguyên theo mã ........................................................................34
Hình 2.10 Sơ đồ khối của hệ thống OCDMA...........................................................36
Hình 3.1 Mô hình mạng VLC ...................................................................................46
mạng tương tự [15]....................................................................................................47
Hình 3.3 Sơ đồ khối của bộ phối hợp .......................................................................49
x
1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG ÁNH
SÁNG NHÌN THẤY
1.1 Tổng quan về công nghệ VLC
1.1.1 Giới thiệu về công nghệ VLC
Truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy – VLC là một hệ thống thông tin
không dây, hệ thống này hoạt động bằng cách điều chế trong phổ ánh sáng nhìn
thấy (400-700nm), dải phổ được sử dụng cho việc chiếu sáng. Các tín hiệu truyền
thông tin được mã hóa bởi ánh sáng chiếu sáng.
Hình 1.1 Dải phổ ánh sáng nhìn thấy
Công nghệ VLC được biết đến với việc sử dụng ánh sáng để truyền tin, tiết
kiệm năng lượng so với hạ tầng chiếu sáng có sẵn. Hơn thế nữa, VLC so với công
nghệ tần số vô tuyến được xem như thân thiện hơn rất nhiều.
1.1.2 Lịch sử phát triển công nghệ VLC
Nhiều năm trước, đã có rất nhiều nghiên cứu về VLC và ý tưởng sử dụng
LED để chiếu sáng và truyền tin.
Động lực chính để công nghệ này phát triển chính là việc chiếu sáng bằng
chất bán dẫn ngày càng được chú tâm, tuổi đời của LED dài hơn, có độ sáng cao so
2
với những nguồn sáng nhân tạo hiện tại. Cùng với đó là tốc độ băng thông/dữ liệu
cao, bảo mật về dữ liệu tốt, giúp cho an toàn sức khỏe và tiết kiệm được năng lượng.
Khái niệm về VLC được biết đến là một phương thức truyền thông tin.
Phương thức này ra đời từ năm 1870, khi mà Alexander Granham Bell đưa ra mô
hình truyền dẫn về tín hiêu âm thanh được sử dụng bằng gương chiếu sáng nhưng
vẫn tạo ra được đế dao động tạo ra bởi âm thanh của một người. Mô phỏng đầu tiên
của VLC đó là máy phát âm thanh, mô phỏng này được diễn ra vào năm 1880 khi
mà con người sử dụng ánh sáng mặt trời tựa như một nguồn sáng. Khi đó, Bell và
Tainer đã thực hiện thành công khi truyền tin ở khoảng cách 213 mét với thí nghiệm
máy phát âm thanh sử dụng ánh sáng. Nhưng, hệ thống khi đó của Bell vẫn gặp
nhiều nhược điểm, cơ bản là hệ thống phụ thuộ vào ánh sáng mặt trời, một loại ánh
sáng không phải lúc nào cũng có được.
Ánh sáng bán dẫn được hình thành bởi sự phát quang điện. Từ những năm
1990, LED với độ sáng cao được giới thiệu với mục đích chiếu sáng. Chỉ từ vài
năm, hiệu quả của việc sử dụng LED để chiếu sáng tăng lên nhanh chóng từ
0.1m/W tới hơn 230lm/W, thời gian sống của LED lên tới 100000 giờ. Hiện tại,
chúng ta có thể thấy các nguồn chiếu sáng khác như OLED trong đó OLED sử dụng
độ chiếu sáng tương đối thấp khoảng 100lm/W và thời gian hoạt động ngắn hơn so
với LED. Bởi vậy, OLED hạn chế sử dụng hiển thị các màu sắc khác nhau, chiếu
sáng chung ở thời điểm hiện tại. Tuy nhiên, OLED chính là giải pháp thay thế cho
chiếu sáng và truyền tin ở những khu vực lớn.
Đối với những đèn chiếu sáng cổ điển có hiệu năng chiếu sáng trong khoảng
52lm/W và những đèn huỳnh quang sử dụng ánh sáng đỉnh của LED trắng vượt qua
260lm/W. Từ hai so sánh trên, SSL sẽ trở thành một công nghệ cần thiết đối với
việc tiết kiệm năng lượng, đảm bảo an toàn với môi trường. Công nghệ sử dụng
SSL có ưu điểm như sau:
Tuổi đời thiết bị dài.
Chịu được độ ẩm cao.
Không có thủy ngân.
3
Kích thước nhỏ và gọn hơn.
Hiệu quả biến đổi năng lượng cao hơn (với white LED hiệu quả chiếu sáng lớn
hơn 200lm/W).
Tiêu thụ năng lượng thấp hơn.
Chuyển mạch nhanh hơn.
Chính vì vậy mà LED là các nguồn lý tưởng để ứng dụng với hai mục đích
chiếu sáng và truyền dữ liệu ở cả trong nhà và ngoài trời trong tương lai, khi đó có
thể tiết kiệm năng lượng rất nhiều. Bằng việc sử dụng LED kết hợp ba màu: đỏ,
xanh lá và xanh da trời, khi đó tiến hành sử dụng máy phát để kết hợp giữa ánh sáng
xanh và huỳnh quang. Từ đó tạo nên những nghiên cứu và phát triển về hệ thống
VLC.
Lịch sử phát triển về VLC được mô tả ở Bảng 1.1 dưới đây:
Bảng 1.1 Lịch sử phát triển của VLC
Thời
Sự kiện
gian
LED được công bố là thiết bị truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao, sử dụng
2004 bằng thiết bị di động tại Nhật Bản.
Hệ thống truyền dẫn VLC tới điện thoại di động được thử nghiệm thực
tế với tốc độ 10 kb/s và vài Mb/s. Thiết bị sử dụng là đèn huỳnh quang
2005
và LED tại Nhật Bản.
Sử dụng màn hình LCD để thực hiện truyền dẫn VLC. Thiết bị sử dụng
2007 đèn nền LED.
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.
Hiệp hội công nghệ thông tin và điện tử Nhật Bản-JEITA đã chấp nhận
các tiêu chuẩn này thông qua
2007
hai văn bản JEITA CP-1221 và JAITA CP-1222.
4
Phát triển các tiêu chuẩn toàn cầu cho mạng gia đình sử dụng ánh sáng
và tia hồng ngoại để truyền dẫn thông qua dự án OMEGA của EU.
Thực hiện truyền dẫn sử dụng 5 đèn LED
2008
với tốc độ ~100Mb/s.
Ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật đầu tiên của VLCC. Phổ tần sử dụng
2009 VLC được đưa ra.
Công nghệ VLC được phát triển, các thiết bị như TV, PC, điện thoại di
2010 động là những thiết bị được đưa vào áp dụng.
2010
2010
2010
GPS được đưa ra tại Nhật Bản, môi trường ở đây là trong nhà.
Tốc độ truyền dẫn của VLC lên đến 500Mb/s trong khoảng cách
5m,thực hiện bởi Siemen và viện Heinrich Het, Đức.
IEE đưa ra tiêu chuẩn cho các công nghệ sử dụng VLC
Hệ thống VLC-OFDM được trình diễn, sử dụng tốc độ 124Mb/s, LED
2011 trắng phủ phốt pho, đại học Edinburgh, Anh
Giáo sư Harald Haas đã thực hiện truyền dữ liệu với tốc độ lên đến 1.6
2013
Gbps thông qua đèn LED đơn sắc
- Một mạng nội bộ đã tiến hành sử dụng VLC với tốc độ truyền lên
đến 1.25 Gbit/s vào 04/2014 bởi công ty Stins Coman của Nga
2015
- Hệ thống VLC với LED RGB có tốc độ 300 Mbit/s trong cự ly 25
feet được sản xuất bởi Axrtek vào 10/2014
Vào năm 2016 sản phẩm Li-1st của công ty PureLifi ra đời. Theo nhà
sản xuất nói thì đây là sản phẩm đầu tiên ứng dụng công nghệ VLC
2016 được bán rộng rãi. Li-1st hiện có thể mang lại tốc độ truyền tải 5Mbps
cho cả kênh upload lẫn download, tương đương 625KB/s
5
Vào năm 2017 công ty PureLifi cho ra sản phẩm LiFi-X bao gồm một
2017 thiết bị có đèn LED gắn vào cổng USB, cho tốc độ truyền nhận dữ liệu
lên đến 42Mbps.
1.1.3 Đặc điểm công nghệ VLC
1.1.3.1 Dung lượng
Băng thông lớn: Đối với phổ sóng vô tuyến: gấp 10000 lần so với sóng ánh
sáng và được miễn phí khi sử dụng chúng.
Mật độ dữ liệu: So với công nghệ WIFI: VLC có thể đạt được mật độ dữ liệu
lên tới 1000 lần. Bởi vì vật cản không thể ngăn được ánh sáng nhìn thấy còn
sóng vô tuyến bị thoát ra ngoài và gây nhiễu.
Tốc độ cao: Vì băng thông lớn, cường độ của ánh sáng chiếu ra lớn nên VLC dễ
dàng đạt được tốc độ cao nhờ nhiễu thấp.
Dễ dàng quản lý: Vì ánh sáng nhìn thấy dễ quản lý hơn vso với sóng vô
tuyến, bởi vì không gian giới hạn.
1.1.3.2 An toàn
Sức khỏe con người được đảm bảo.
Trên máy bay, việc truyền dẫn không bị ảnh hưởng. Các thiệt bị trong bệnh
viện không bị gây nhiễu bởi các máy móc.
1.1.3.3 Bảo mật
Vì VLC không thể đâm xuyên qua các vật, chỉ truyền tập trung ở một khu
vực nhất định nên rất khó để thu thập hay tìm hiểu các tín hiệu thông tin.
Có thể quản lý truyền dẫn thông tin dễ dàng bởi đây là ánh sáng nhìn thấy,
không cần phương thức bảo mật phức tạp..
Đối với các đường truyền tốc độ cao: chúng ta chỉ cần đường lên với tốc độ
thấp để: download video, audio, duyệt Web… Qua đó ta có thể giải quyết
vấn đề này bằng việc sử dụng công nghệ VLC.
Dưới đây là Bảng 1.2 so sánh các đặc tính của VLC và công nghệ IR và RF:
6
Bảng 1.2 So sánh các tham số của VLC, IRB và FRB
Đặc tính
VLC
IRB
RFB
Không bị hạn chế, 400 Không bị hạn chế, Bị điều chỉnh và bị
Băng thông
nm - 700 nm
800 - 1600nm
hạn chế
Nhiễu sóng điện từ và
mối nguy hiểm
Không
Không
Có
Có
LOS
Có
Không
Ngắn tới dài
(ngoài trời)
Ngắn tới dài
(ngoài trời)
Khoảng cách
Bảo mật
Ngắn
Tốt
Tốt
Kém
Phát triển tốt cho
Đang phát triển (IEEE trong nhà (IrDa),
Tiêu chuẩn
Đã hoàn thiện
802.15.7)
đang phát triển
cho ngoài trời
Chiếu sáng và
truyền tin
Các dịch vụ
Truyền tin
Truyền tin
Ánh sáng mặt trời và Ánh sáng mặt trời
ánh sáng xung quanhvà ánh sáng xung
Tất cả các thiết bị
điện tử và điện
Các nguồn nhiễu
khác
quanh khác
Tiêu thụ công
suất
Tương đối thấp
Tương đối thấp
Trung bình
Tính di động
Bị giới hạn
Bị giới hạn
Tốt
Khoảng bao phủ
Hẹp và rộng
Hẹp và rộng
1.2 Cấu trúc hệ thống VLC
1.2.1 Mô hình hệ thống
Hệ thống VLC bao gồm các thành phần sau: Hệ thống phát, kênh truyền và
hệ thống thu. Hình 1.2 mô tả mô hình của một hệ thống VLC
7
Ma trận
LED và
các thấu
kính quang
học
Điều khiển
làm mờ
Bộ tách
sóng
Mạch
điều
Bộ tập
trung
Kênh
Bộ lọc
(Dimming
control)
truyền
quang
quang
khiển
quang
Bộ
khuếch
đại
Module
truyền
tin
Dữ liệu vào
Dữ liệu ra
Hình 1.2 Mô hình của một hệ thống VLC
1.2.2 Phía phát
1.2.2.1 Cấu trúc phía phát
Các thành phần của phía phát bao gồm thiết bị phát bán dẫn ánh sáng nhìn
thấy (có thể là LED hoặc Laser bán dẫn, phụ thuộc vào ứng dụng), mạch điều
chỉnh độ sáng (dimming control) và mạch điều khiển LED (điều chế) (hình 1.3).
Điều
Mạch điều khiển
chỉnh
LED
LED (Điều chế)
độ sáng
Dữ liệu
Hình 1.3 Thành phần phía phát của hệ thống VLC
Cả laser và LED đều có thể sử dụng cho truyền dữ liệu, nhưng khi thành
phần phát của VLC phải hoạt động đồng thời như máy phát dữ liệu và như một
thiết bị chiếu sáng ở cùng một thời điểm thì LED ưu tiên được sử dụng.
1.2.2.2 Hoạt động của LED
Khi phân cực thuận LED sẽ nhận được dòng bơm khiến các điện tử ở vùng
hóa trị nhảy lên vùng dẫn. Khi ở điều kiện bình thường, các điện tử trong vùng hóa
trị sẽ lớn so với vùng dẫn. Khi ở trạng thái được kích thích, các điện tử chuyển sang
8
mức năng lượng khách khiến điện tử vùng dẫn lớn hơn so với vùng hóa trị. Đây
chính là hiện tượng đảo mật độ. Đồng thời, do điện trường phân cực thuận tác động,
ở lớp tích cực, các điện tử cũng như các lỗ trống được khuyếch tán. Tại đây, từng
cặp điện tử, lỗ trống được kết hợp và photon ánh sáng sẽ được phát xa. Chủ yếu ở
đây là hiện tượng phát xạ tự phát. Hoạt động trên được diễn tả qua hình 1.4.
Hình 1.4: Cơ chế hoạt động của LED
Đối với LED thì việc điều chỉnh mức làm mờ là một thuận lợi. Tuy nhiên,
LED có trở ngại đó là không thể làm mờ chính xác khi áp dụng với các đèn dây tóc
và đèn phóng điện qua khí. Đó là bởi vì đáp ứng thời gian trong suốt hoạt động
chuyển mạch tắt mở của LED rất ngắn (chỉ vài chục nano giây). Khi đó, người ta
điều chế dòng điều khiển của LED, chuyển LED về trạng thái ON, OFF với một tần
số tương đối cao.. Nhưng ở các ứng dụng cả cho chiếu sáng và truyền thông như
VLC, người ta ưa chuộng sử dụng LED hơn.
1.2.2.3 Phân loại đèn LED
Có rất nhiều loại LED được sử dụng để chế tạo ra ánh sáng trắng bao gồm
LED đơn màu phủ phốt pho hoặc LED RGB (hình 1.5). Với LED RGB, mỗi một
màu ta có thể sử dụng để truyền một kênh dữ liệu riêng biệt. Loại thứ nhất cấu tạo
với một chip bán dẫn xanh, phủ thêm lớp phốt pho bên ngoài. Khi cấp điện, chip sẽ
Tải về để xem bản đầy đủ
75 trang
27380
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Phân tích và đánh giá hiệu năng mạng VLC trong nhà dựa trên công nghệ CDMA", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- luan_van_phan_tich_va_danh_gia_hieu_nang_mang_vlc_trong_nha.pdf
