Tóm tắt Luận văn Cải thiện hiệu suất mạng VLC bằng phương pháp lập lịch tối ưu tài nguyên

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

---------------------------------------

Hoàng Văn Hà

CẢI THIỆN HIỆU SUẤT MẠNG VLC BẰNG PHƯƠNG PHÁP

LẬP LỊCH TỐI ƯU TÀI NGUYÊN

Chuyên ngành : Kỹ thuật Viễn thông

Mã số

:

8.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2020

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. VŨ TUẤN LÂM

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Tài Hưng

Phản biện 2: TS Phạm Xuân Nghĩa

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc

sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: 09 giờ 00 phút ngày 09 tháng 01 Năm 2021

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viên của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

LỜI MỞ ĐẦU

Sự thiếu hụt tài nguyên cho dịch vụ mạng không dây ngày nay đưa đến xu

hướng di chuyển dải tần số để truyền không dây đến tần số cao hơn trong phổ tần số

vô tuyến (Radio Frequency). Băng thông phổ ánh sáng khả kiến (Visual Light) rộng

hơn 1000 lần so với toàn bộ phổ tần 300 GHz RF đã và đang chứng tỏ là một

phương án khả thi trong truyền thông băng rộng. Truyền thông ánh sáng nhìn thấy

(VLC: Visual light Communication) cho phép cơ sở hạ tầng chiếu sáng hiện tại

cung cấp không chỉ chiếu sáng mà còn cả giao tiếp không dây.

Yêu cầu cơ bản của hệ thống VLC là cung cấp truyền dẫn tốc độ cao và độ

phủ sóng liền mạch. Để đáp ứng yêu cầu này, kiến trꢀc hệ thống VLC sử dụng trạm

phát đa chùm sáng đã được đề xuất gần đây. Tuy nhiên, nâng cao hiệu năng hệ

thống này vẫn đang là vấn để mở đối với các nhà nghiên cứu và triển khai khi số

lượng các điều kiện ràng buộc tăng lên. Trong đó, vấn đề về nhiễu đồng kênh phụ

thuộc rất lớn vào ràng buộc không gian cũng như thuật toán phân bổ tài nguyên cho

người dùng. Vì vậy, đây là một vấn để mở cần nghiên cứu để cải thiện hiệu năng hệ

thống VLC.

Các giải pháp giảm nhiễu đồng kênh để nâng cao hiệu suất mạng VLC được

nhiều nhà nghiên cứu quan tâm và thể hiện qua nhiều phương án kỹ thuật như: Tái

sử dụng tần số, điều khiển công suất, hiệu chỉnh góc phát chùm sáng hoặc kỹ thuật

lập lịch phân bổ tài nguyên. Trong luận văn này sẽ tiếp cận phương pháp lập lịch tài

nguyên trên cơ sở thông tin người dùng được thu thập và thống kê để nâng cao hiệu

suất mạng VLC như tăng thông lượng và giảm trễ truyền thông.

Phần còn lại của luận án này được tổ chức như sau:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy

Chương 2: Các vấn đề liên quan tới hiệu năng hệ thống

Chương 3: Nâng cao hiệu năng VLC thông qua kỹ thuật lập lịch

Cuối cùng, Luận án này tóm tắt công việc của mình với một số nhận xét và

một số định hướng làm trong tương lai.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN

THÔNG SỬ DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY

1.1 Quá trình phát triển của công nghệ VLC

Trong những năm 1990, đã chứng kiến sự ra đời của đèn LED với độ chiếu

sáng cao giꢀp mục đích chiếu sáng thông thường [2]. Chỉ trong vòng vài năm, hiệu

quả của ánh sáng đèn LED đã được cải thiện nhanh chóng, từ ít hơn 0.1 lm/W cho

đến lên trên 230 lm/W và đồng thời tuổi thọ đèn có thể lên đến 100.000 giờ

Vào năm 2000, các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Keio, Nhật Bản đã đề

xuất sử dụng đèn LED trắng để xây dựng một mạng truy cập không dây trong nhà.

Điều này đã thꢀc đẩy việc nghiên cứu (đặc biệt là ở Nhật Bản) để xây dựng hệ

thống truyền thông dữ liệu tốc độ cao thông qua việc sử dụng ánh sáng nhìn thấy.

Điều này đã dẫn tới việc thành lập hiệp hội truyền thông ánh sáng nhìn thấy

(VLCC) tại Nhật Bản vào tháng 11 năm 2003 [3]. Năm 2004, tại Nhật Bản đã trình

diễn một hệ thống sử dụng đèn LED để truyền dữ liệu tốc độ cao đến các thiết bị

máy tính cầm tay và phương tiện xe. Năm 2007, hiệp hội VLCC của Nhật Bản đã

đề xuất hai tiêu chuẩn: tiêu chuẩn hệ thống truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy

và tiêu chuẩn hệ thống ID ánh sáng nhìn thấy, và JEITA đã chấp nhận các tiêu

chuẩn này như JEITA CP-1221 và JEITA CP-1222. Năm 2008, trình diễn hệ thống

VLC sử dụng đèn LED trắng có thể đạt tốc độ dữ liệu lớn hớn 100 Mbps trên các

khoảng cách dài hơn vài mét và sử dụng đường truyền thẳng (LOS). Hiệp hội

VLCC cũng kết hợp và điều chỉnh lớp vật lý với truyền thông sử dụng hồng ngoại

do Hiệp hội Dữ liệu hồng ngoại Quốc tế (IrDA) đề xuất trong năm 2009. Song song

với đó, dự án GIS Gigabit (OMEGA) do Liên minh Châu Âu tài trợ cũng phát triển

truyền thông quang học như một cách để gia tăng mạng lưới truyền thông RF. Vào

năm 2014, hiệp hội VLCA (Hiệp hội Truyền thông ánh sáng nhìn thấy) được thành

lập như một kế nhiệm của hiệp hội VLCC tại Nhật Bản, để chuẩn hóa công nghệ

VLC.

1.2 Các đặc trưng kỹ thuật của công nghệ VLC

1.2.2 Các đặc trưng của công nghệ VLC

Ánh sáng nhìn

thấy

Xanh lá

cây

Xanh da

trời

Lam

Tím

Đỏ

Da cam

Vàng

Hình 1.1: Phổ tần số ánh sáng nhìn thấy của VLC

Ánh sáng nhìn thấy là dạng sóng với bước sóng nằm trong khoảng từ 380nm

đến 750nm tương ứng với giải tần số từ 430THz đến 790THz như thể hiện ở hình

1.4. Do đó công nghệ VLC sử dụng ánh sáng nhìn thấy có băng thông không bị hạn

chế, băng tần có thể đạt 400 THz. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ

LED, VLC có thể đạt được truyền dẫn tốc độ cao lên tới hàng gigabit. Dưới đây là

một số đặc trưng tiêu biểu của công nghệ VLC [3][5][6]:

Công nghệ VLC có rất nhiều ưu điểm so với công nghệ truyền thông vô tuyến

truyền thống, công nghệ VLC vừa có khả năng chiếu sáng, vừa có khả năng truyền

thông với băng thông rộng, mức độ bảo mật cao và công suất tiêu thụ thấp. Các

thành phần của VLC

Một hệ thống VLC có thể dễ dàng thực hiện bằng cách điều chỉnh cường độ

ánh sáng của đèn LED tại khối phát dữ liệu để đưa tín hiệu điện thành tín hiệu chiếu

sáng, trong khi đó ở phía thu sử dụng một photodiode (PD) để chuyển đổi từ tín

hiệu ánh sáng sang tín hiệu điện. Việc điều chỉnh chính xác của cường độ sáng tối

(chiếu sáng) với bóng đèn truyền thống là rất khó thực hiện bởi sự phản ứng chậm

về cường độ sáng. Trong khi đèn LED lại rất dễ dàng thực hiện vì sự phản ứng

nhanh về cường độ sáng của nó. Vì vậy bằng việc điều chế dòng điện qua đèn LED

ở tần số khá cao, chꢀng ta có thể thay đổi trạng thái On-Off của đèn LED mà không

làm thay đổi độ sáng của ánh sáng (mắt người không cảm nhận được). Hình 1.5

dưới đây thể hiện sơ đồ khối của công nghệ truyền thống quang.

Khối phát: Trạm phát VLC sử dụng mảng LED làm nguồn phát để truyền

tải dữ liệu với tốc độ cao có thể đạt đến hàng Gbps. Với mục đích vừa đáp ứng

chiếu sáng và truyền dữ liệu, LED trắng (LED RGB hoặc LED đơn phủ phốt pho)

được sử dụng làm nguồn phát ánh sáng cho hệ thống VLC. Làm mờ hay điều chỉnh

độ sáng tối là thách thức đối với bóng đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang, trong khi đó

LED thì khá thuận tiện để kiểm soát chính xác độ mờ. Độ rọi yêu cầu trong một mô

hình VLC đặc trưng phải thuộc trong khoảng 200-1000 lx. Hai khối điều khiển độ

sáng và module truyền thông phải tách rời nhau không ảnh hưởng đến nhau.

Khối thu: Thiết bị thu bao gồm một số thành phần: Bộ tập trung quang

(Optical concentrator), bộ lọc quang (Optical filter), bộ chuyển đổi quang điện

(Photodiode), bộ khuếch đại (Amplifier). Ánh sáng được tập trung và sau đó được

thu ở bộ chuyển đổi quang điện, từ đó chuyển đổi thành tín hiệu điện. Bộ tập trung

quang có chức năng bù lại sự suy hao trong đường truyền. Với bộ lọc quang có

chức năng lọc những tín hiệu không cần thiết và tín hiệu có đáp ứng chậm. Bộ

khuếch đại thực hiện khuếch đại tín hiệu để bù đắp lại sự suy hao đường truyền.

Khối phát

Khối thu

Dữ liệu

đầu vào

Dữ liệu

đầu ra

Module

truyền thống

Bộ khuếch

đại

Bộ chuyển

đổi quang

điện

Mạch điều

khiển

Điều khiển

độ sáng

Bộ lọc

quang

LED kiểu

mảng

Bộ tập trung

quang

Kênh truyền quang h(t)

Hình 1.5: Sơ đồ khối của Công nghệ truyền thông quang

Dữ liệu

đầu vào

Bộ điều khiển

trung tâm

LED

driver

LED

driver

LED

driver

LED

driver

Bộ nhận

Bộ quang nhận

Dữ liệu

đầu ra

Hình 1.6: Sơ đồ khối việc điều chỉnh cường độ sáng

Trong thực tế không thể sử dụng một bộ điều khiển cho từng đèn LED riêng

lẻ, vì các hệ thống chiếu sáng thông thường có một số lượng đèn LED rất lớn. Vì

vậy, trong hệ thống VLC phải sử dụng một bộ điều khiển để điều khiển tất cả các

đèn LED và bộ điều khiển này vẫn có thể điều khiển độ sáng tại bất kỳ vị trí nào

mong muốn như thể hiện trên hình 1.6. Với các đèn LED sử dụng trong hai mục

đích chiếu sáng và truyền thông thì các tín hiệu điều khiển độ sáng (tín hiệu từ khối

điều khiển độ sáng) và tín hiệu truyền thông (tín hiệu từ module truyền thống) phải

độc lập, không gây nhiễu lên nhau, đã có rất nhiều phương pháp được đưa ra. Tuy

nhiên phương pháp điều chỉnh độ rộng xung là tối ưu nhất cho việc điều chỉnh độ

sáng và truyền thông, phương pháp này đã được sử dụng trong tiêu chuẩn IEEE

802.15.7.

1.5 Kết luận chương

Chương 1 đã trình bày cái nhìn tổng quan về công nghệ VLC như quá trình

phát triển, đặc trưng, các thành phần và thách thức của nó. Đồng thời cũng đưa ra

khả năng phát triển của công nghệ này đối với các ứng dụng thực tế. Công nghệ

VLC cung cấp dịch vụ truyền thông không dây tốc độ cao với sự an toàn cho người

sử dụng, bảo mật thông tin, đáp ứng yêu cầu ngày càng lớn của các doanh nghiêp,

tổ chức và cá nhân. Các hệ thống VLC đã và đang được ứng dụng cho chiếu sáng

kết hợp với truyền thông dữ liệu tốc độ cao trong nhà cho thấy nhiều ưu điểm vượt

trội, có thể dần bổ sung hoặc thay thế cho các công nghệ vô tuyến hiện nay. Tuy

nhiên, một số vấn đề thách thức như tầm nhìn thẳng (LoS), chất lượng tín hiệu, thiết

bị đầu cuối, vấn đề chuẩn hóa... đang là những thách thức không nhỏ trong việc ứng

dụng công nghệ VLC vào đời sống. Khắc phục được các hạn chế này có thể đẩy

mạnh sự phát triển các hệ thống VLC trong tương lai, hứa hẹn có nhiều ứng dụng

hơn nữa đối với cả truyền thông quang không dây tốc độ cao, giá rẻ trong nhà và

ngoài trời cự ly ngắn.

CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN TỚI HIỆU NĂNG

HỆ THỐNG VLC

2.1 Giới thiệu chung hệ thống VLC

Một hệ thống VLC điển hình được chỉ ra trên hình 2.1 dưới đây. Trong đó,

hiệu năng hệ thống này tập trung vào kênh truyền dữ liệu đường xuống của một hệ

thống mạng VLC đa cell (multi-cell) với đa người dùng được triển khai trong một

không gian trong nhà rộng lớn với kích thước L W H (chiều dài, chiều rộng, chiều

cao). Đường lên của hệ thống mạng VLC có thể sử dụng sóng vô tuyến điện RF

hoặc hồng ngoại.

Internet

AP

Coordinator

UE

Hình 2.1: Mô hình hệ thống VLC

Hệ thống VLC xem xét được thể hiện như trên hình 2.1, ở đây các thành

phần chính bao gồm: Một điều phối viên VLC (Coordinator), các trạm phát hay

điểm truy cập (AP) và thiết bị người dùng (UE). Trong đó, ứng với mỗi cell là một

trạm phát AP được thiết kế với nhiều chùm sáng định hướng. Các AP kết nối với

internet thông qua một Coordinator. AP truyền dữ liệu cho thiết bị người dùng UE

thông qua đường truyền bằng ánh sáng nhìn thấy.

2.2 Hiệu năng đường xuống của hệ thống VLC

Như thể hiện ở hình 2.3, có 6 loại cấu hình đường truyền của hệ thống VLC

trong nhà. Dựa theo mối quan hệ về hướng và góc mở của bộ phát với bộ nhận,

chꢀng có thể được phần thành ba loại chính đó là:

Hình 2.3 Phân loại kênh truyền trong hệ thống VLC

Trong mô hình hệ thống nghiên cứu, các trạm phát được thiết kế đa chùm

sáng, nếu xét trên tổng thể thì cấu hình đường truyền của mô hình này là truyền

thẳng và phân tán. Tuy nhiên, khi xem xét trên mỗi chùm sáng, cấu hình đường

truyền là đường truyền thẳng, lai ghép giꢀp nâng cao được công suất nhận. Từ đó

mô hình hệ thống đem lại hiệu quả cao về chất lượng tín hiệu nhận đồng thời đảm

bảo được tính di chuyển của thiết bị người dùng.

2.3 Các vấn đề về nhiễu ảnh hưởng tới hiệu năng

2.3.1 Khái quát về OFDM quang học

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM đã được sử dụng rộng rãi

trong truyền thông vô tuyến RF giꢀp cung cấp khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao

cũng như hiệu quả băng thông cao và chống lại được nhiễu ISI do hiệu ứng đa

đường và đã được các nhà nghiên cứu đề xuất trong truyền thông không dây quang.

Trong OFDM, chuỗi dữ liệu đầu vào nối tiếp có tốc độ cao (R) được chia

thành N chuỗi con song song (1,2,…, N) có tốc độ thấp hơn (R/N). N chuỗi con này

được điều chế bởi N sóng mang phụ trực giao, sau đó các sóng mang này được cộng

với nhau và được phát lên kênh truyền đồng thời. Dải băng tần lớn được chia thành

một số lượng lớn các sóng mang con trực giao có khoảng cách gần nhau, mỗi sóng

mang con này được điều chế ở tốc độ ký hiệu (symbol) thấp. Do thời gian của mỗi

ký hiệu dài hơn nhiều so với thời gian đa kênh, do đó bằng cách chèn một khe bảo

vệ giữa các ký hiệu, nhiễu ISI đã được loại bỏ.

Mô hình cơ bản của một hệ thống OFDM quang học được mô tả như trên

hình 2.5. Đầu tiên, luồng bit dữ liệu đầu vào b[i] được đi vào khối S/P (serial-to-

parallel) để tạo thành các nhóm bit và chuyển thành các luồng bit song song trước

khi đi vào khối điều chế, tại đây b[i] chuyển thành b’[i]. Tại khối điều chế, các

nhóm bit tại các luồng song song được chuyển đổi thành một chuỗi số phức tương

ứng (các sơ đồ điều chế được lựa chọn BPSK, QPSK, M-QAM), b’[i] chuyển thành

một tập số phức X_d= {X₀, X₁,…,X_{Nd - 1}}. Tiếp theo, tín hiệu hoa tiêu (pilot signal)

được chèn đồng đều vào trong tất cả các chuỗi giꢀp bên nhận có thể đánh giá và ước

lượng kênh truyền tại vị trị hoa tiêu ấy, X_dchuyển thành X(k). Sau đó, tập X(k)

được đi vào khối IFFT (khối biến đổi Fourier nhanh nghịch đảo) để biến đổi thành

các mẫu rời rạc của ký hiệu OFDM trong miền thời gian, X(k) chuyển thành x(n) =

IFFT_N{X(k)}(n), ở đây n và k = 0,1,2,….,N-1.

Hình 2.5 Mô hình hệ thống OFDM quang

2.3.2 Giải pháp SDMA/OFDMA trong hệ thống VLC

Hệ thống SDMA/OFDMA cho đường xuống đã được nghiên cứu trong hệ

thống truyền thông RF. Đa truy cập phân chia theo không gian - SDMA đã được

tích hợp vào các tiêu chuẩn truyền thông 4G như LTE và IEEE 802.11ac.

Coordinator

AP 1

AP 2

OFDMA 1 OFDMA 2

OFDMA Nb

OFDMA 1 OFDMA 2

OFDMA Nb

CS 2

CS Nb

CS 1

CS 2

CS Nb

CS 1

CCI

nội cell

CCI

liên cell

UE 1

UE 2

UE 3

UE 4

Hình 2.6: Hệ thống VLC SDMA/OFDMA

Hệ thống VLC này sử dụng SDMA/OFDMA để thực hiện hỗ trợ đa truy cập

như thể hiện trên hình 2.6.

2.3.3 Các tham số nhiễu cụ thể ảnh hưởng tới hiệu năng VLC

Hầu hết các LED thương mại hiện tại có băng tần điều chế trong khoảng 2-

20 MHz mà có đáp ứng tần số có thể được coi là bằng phẳng. Do vậy, các AP trong

hệ thống VLC sử dụng chung một tài nguyên băng tần để tái sử dụng hiệu quả

quang phổ.

Như thể hiện trên hình 2.6, trong hệ thống VLC này xảy ra hai loại nhiễu

đồng kênh (CCI) đó là nhiễu nội cell (intra-cell interference) và nhiễu liên cell

(inter-cell interference - ICI):

Nhiễu nội cell: Là nhiễu đồng kênh khi thiết bị người dùng nằm trong vùng

chồng lấn giữa các chùm sáng trong cùng một điểm truy cập. Ví dụ như UE 1 trên

hình 2.6, UE 1 bị nhiễu đồng kênh bởi CS 2 do UE 1 cũng nằm trong vùng phủ

sóng của CS 2.

Nhiễu liên cell: Là nhiễu đồng kênh khi thiết bị người dùng nằm trong vùng

chồng lấn giữa các chùm sáng tại các AP khác nhau. Ví dụ như UE 2 trên hình 2.6.

)

2.4 Kết luận chương

Chương 2 trình bày các đặc trưng cơ bản của một hệ thống VLC điển hình từ

các nội dung cơ bản về cấu hình, thành phần và cấu trꢀc kết nối mạng. Trong đó,

các vấn đề điều chế và hiệu năng đường xuống đã được chỉ ra. Các phương pháp

điều chế cho ánh sáng nhìn thấy được tóm tắt về nguyên tắc cùng với các đặc trưng

điều chế cụ thể. Các thách thức lớn nhất về hiệu năng hệ thống VLC liên quan tới

nhiễu đã chỉ rõ gồm nhiễu nội cell và nhiễu liên cell. Các hiện tượng nhiễu này cần

được loại bỏ và chꢀng sẽ được trình bày trong chương tiếp theo của luận văn.

CHƯƠNG 3: NÂNG CAO HIỆU NĂNG VLC THÔNG QUA

KỸ THUẬT LẬP LỊCH

3.1 Giới thiệu mô hình mạng VLC

Trong một không gian rộng lớn trong nhà, các điểm truy cập AP được lắp đặt

ở trần nhà với sự sắp xếp cẩn thận. Với hế thống VLC sử dụng điểm truy cập với đa

chùm sáng, để duy trì và bảo đảm được kết nối liền mạch giữa người dùng và điểm

truy cập, đồng thời đảm bảo được yêu cầu chiếu sáng đồng đều trong cả phòng thì

có hai vấn đề cần đặt ra trong việc thiết kế, đó là:

Đã có một số nghiên cứu gần đây về việc thiết kế cấu hình đa chùm sáng cho

điểm truy cập [15, 19, 25]. Trong các nghiên cứu này, hệ thống VLC sẽ sử dụng cấu

hình AP 9 và 25 chùm sáng trong nghiên cứu [15] bởi hai cấu hình này đã được

chứng minh đảm bảo được hai điều kiện trên và đồng thời giảm đáng kể được diện

tích chồng lấn vùng phủ giữa các chùm sáng. Hình 3.1 thể hiện hai cấu hình AP 9

và 25 chùm sáng.

a. 9 chùm sáng

b. 25 chùm sáng

Hình 3.1: Mặt cắt đứng của cấu hình AP với 9 và 25 chùm sáng

Cấu hình AP với 9 chùm sáng: Là cấu hình chiếu sáng gồm có một chùm

sáng ở trung tâm và 8 chùm sáng tạo thành một vòng tròn ở xung quang chùm sáng

trung tâm.

Cấu hình AP với 25 chùm sáng: Là cấu hình chiếu sáng gồm có một chùm

sáng ở trung tâm, 8 chùm sáng xung quanh ở vòng tròn thứ nhất và 16 chùm sáng

xung quang ở vòng tròn thứ hai.

3.2 Cấu trúc hệ thống VLC đa điểm truy cập

Trong hệ thống VLC, để đảm bảo tính kết nối liền mạch giữa người dùng và

điểm truy cập, việc lắp đặt cẩn thận các AP sao cho đảm bảo điều kiện không có

vùng mù trong hệ thống là rất quan trọng. Trong [8] đã đưa ra bốn loại mô hình

mạng trong nhà: PPP, HCPP, Hexagonal, Square (lưới) như thể hiện ở hình 3.2.

a. Mô hình mạng PPP

b. Mô hình mạng HCP

c. Mô hình mạng Hexagonal

d. Mô hình mạng Square

Hình 3.2: Các mô hình triển khai mạng VLC trong nhà.

Do vậy, trong luận văn này, hệ thống VLC sẽ triển khai lắp đặt theo dạng

lưới (square cells). Triển khai lưới đã được sử dụng rộng rãi với kịch bản trong nhà

bởi tính đồng đều và sự đơn giản về thiết kế chiếu sáng. Các AP quang được triển

khai sao cho khu vực cung cấp dịch vụ của mỗi AP có thể được chia thành các ô

theo dạng lưới.

L/a

l

W/b

UE

H

W

L

Hình 3.3: Triển khai lắp đặt các điểm truy cập theo dạng lưới

Hệ thống mạng VLC được triển khai trong một không gian trong nhà rộng

lớn với kích thước L W H (dài, rộng, cao) như hình 3.3.

3.3 Cơ chế lập lịch trong hợp tác đa điểm phối hợp

3.3.1 Cơ chế hợp tác truyền dẫn đa điểm phối hợp CoMP

Kỹ thuật truyền dẫn đa điểm phối hợp (CoMP) được đề xuất đầu tiên cho

mạng LTE-A, cho phép người dùng có thể được phục vụ bởi nhiều hơn một trạm

thu phát và người dùng cũng có thể truyền dữ liệu cho nhiều hơn một trạm thu phát

cùng lꢀc. CoMP nhằm mục đích nâng cao thông lượng UE ở rìa vùng phủ của trạm

di động, cải thiện tốc độ dữ liệu, giảm thiểu nhiễu liên cell bằng cách cho phép

không chỉ một cell phục vụ người dùng mà người dùng còn được phục vụ bởi các

cell khác, thông qua việc phối hợp với nhau.

3.3.2 Cơ chế lập lịch kết hợp CoMP

CoMP – CB: cấp phát nguồn tài nguyên không gian (mẫu Beam) khác nhau

tới những người dùng ở rìa cell bằng cách sử dụng công nghệ ăng ten thông minh.

Nếu không có CoMP-CS, người dùng A1, B1 có thể sẽ được phân bổ cùng một

nguồn tài nguyên tần số.

3.3.3 Cơ chế CoMP truyền dẫn đồng thời

Với CoMP-JT, nhiều cell có thể truyền đồng thời tới một người dùng cùng

dữ liệu bằng cách sử dụng cùng một nguồn tài nguyên vô tuyến (tần số và thời

gian). Bởi vì, cùng một dữ liệu được gửi, tốc độ sẽ không gấp đôi, nhưng hiệu quả

nhận được sẽ cải thiện. CSI/thông tin lập lịch và dữ liệu người dùng được chia sẻ

giữa các TPs phối hợp.

3.3.4 Cơ chế CoMP lựa chọn điểm truyền động

Đây là trường hợp đặc biệt của JT, nơi mà dữ liệu người dùng được truyền từ

chỉ một TP và TP phục vụ được thay đổi động trong mỗi subframe dựa vào nguồn

tài nguyên có sẵn, trạng thái tải của các cell và điều kiện kênh truyền.

3.4 Giải pháp lập lịch nâng cao hiệu năng VLC

Giải pháp SDMA đã được đề xuất trong hệ thống VLC sử dụng trạm phát đa

chùm sáng trong. Tận dụng các đặc trưng chiếu sáng hạn chế của LED, các chùm

ánh sáng định hướng với các vùng phủ sóng tách biệt có thể đồng thời phục vụ

nhiều người sử dụng ở các vị trí khác nhau với cùng tài nguyên băng tần.

Một cụm truyền dẫn TC (Transmission Cluster) được định nghĩa là một nhóm chùm

sáng vật lý trong AP có thể truyền cùng một tín hiệu. Các người dùng được phục vụ

bởi một TC sẽ được cấp phát kênh con bởi một khối phần tử OFDMA trong AP.

3.4.1 Cập nhật ma trận quản lꢀ nhiễu của các chꢁm sáng

Luận án này đề xuất sử dụng ma trận nhiễu của các chùm sáng (

) để hỗ

trợ việc quản lý nhiễu. Ma trận này được thực hiện tại Coordinator, trong đó

Coordinator cập nhật thông tin về cường độ tín hiệu thu RSS (Received Signal

Strength) của toàn bộ người dùng.

3.3.2 Thuật toán lựa chọn chꢁm sáng truyền dẫn

Thuật toán này thực hiện việc lựa chọn các chùm sáng vào các TC của tất cả

các AP trong hệ thống. Khi thực hiện thuật toán, Coordinator định nghĩa một active-

beam là chùm sáng có dữ liệu để truyền. Coordinator sẽ duy trì một danh sách tất cả

các active-beam trong hệ thống (list_of_activeBeams). Coordinator thực hiện lựa

chọn chùm sáng có trọng số độ ưu tiên cao vào các TC.

Các quá trình thực hiện thuật toán như sau:

Thủ tꢀc 1: Thủ tục này thực hiện tạo và sắp xếp danh sách của tất cả active-

beam trong toàn hệ thống (list_of_activeBeams).

Thủ tꢀc 2: Thủ tục này thực hiện lựa chọn các active-beam vào trong các TC

của các AP, đồng thời loại bỏ nhiễu CCI trong hệ thống. Các active-beam được lựa

chọn vào các TC sẽ trở thành các transmission-beam (transmission-beam là các

chùm sáng được truyền dữ liệu ở khung thời gian tiếp theo).

Bước 1: Lựa chọn một active-beam có trọng số độ ưu tiên cao nhất vào một

TC và đồng thời đảm bảo beam đang xét không gây nhiễu nội ô.

Bước 2: Bước này thực hiện xem xét loại bỏ nhiễu liên ô ICI trong hệ thống.

3.3.3 Thuật toán phân bꢂ tꢃi nguyên kênh con

Khi AP nhận được thông tin về các chùm sáng trong các TC của nó, quá

trình phân bổ các RU tới các UE được thực hiện. AP có N_tthành phần-OFDMA và

tại mỗi thành phần có K RU (ở đây 1 RU là 1 kênh con). Thuật toán được mô tả như

sau:

Thủ tꢀc 1: Thủ tục này thực hiện tạo danh sách các UE đang được phục vụ

bởi các chùm sáng trong TC (set_UE).

Thủ tꢀc 2: Thủ tục này thực hiện cấp phát RU cho các UE.

Bước 1: Sắp xếp set_UE theo trọng số độ ưu tiên của UE.

Bước 2: Xem xét UE đầu tiên (giả sử là ) trong set_UE. UE đầu tiên trong

danh sách là UE có độ ưu tiên cao nhất, điều này giꢀp hệ thống luôn lựa chọn được

nhưng UE có độ ưu tiên cao để được truyền dữ liệu.

Bước 3: Nếu set_UE rỗng hoặc đã cấp phát hết

RU của thành phần thì

kết thꢀc chương trình. Ngược lại, quay về bước 1.

Giải pháp SDMA đã được đề xuất trong hệ thống VLC sử dụng trạm phát đa

chùm sáng trong. Tận dụng các đặc trưng chiếu sáng hạn chế của LED, các chùm

ánh sáng định hướng với các vùng phủ sóng tách biệt có thể đồng thời phục vụ

nhiều người sử dụng ở các vị trí khác nhau với cùng tài nguyên băng tần.

Với cơ chế OFDMA, băng tần của mỗi phần tử OFDMA được chia thành các

sóng mang con N_sc. Các sóng mang con cạnh nhau được nhóm lại thành các khối

được gọi là các đơn vị tài nguyên kênh con RU (Resource Unit).

Để giảm thiểu nhiễu, một cơ chế lập lịch tài nguyên sử dụng thông tin về

CCI và các thông tin có sẵn (độ dài hàng đợi và thông lượng trung bình) được đề

xuất.

3.4.1 Cập nhật ma trận quản lꢀ nhiễu của các chꢁm sáng

Tập hợp các AP trong phòng được mô tả như sau:

=

, i

, j

(3.4)

Mỗi

có

chùm sáng với một chùm sáng trung tâm và các chùm sáng

ở các vòng ngoài được mô tả như sau:

Beams =

x

(3.5)

Luận án này đề xuất sử dụng ma trận nhiễu của các chùm sáng (

) để hỗ

trợ việc quản lý nhiễu. Ma trận này được thực hiện tại Coordinator, trong đó

Coordinator cập nhật thông tin về cường độ tín hiệu thu RSS (Received Signal

Strength) của toàn bộ người dùng.

3.4.2 Thuật toán lựa chọn chꢁm sáng truyền dẫn

Thuật toán này thực hiện việc lựa chọn các chùm sáng vào các TC của tất cả

các AP trong hệ thống. Khi thực hiện thuật toán, Coordinator định nghĩa một active-

beam là chùm sáng có dữ liệu để truyền. Coordinator sẽ duy trì một danh sách tất cả

các active-beam trong hệ thống (list_of_activeBeams). Các quá trình thực hiện thuật

toán như sau:

Thủ tꢀc 1: Thủ tục này thực hiện tạo và sắp xếp danh sách của tất cả active-

beam trong toàn hệ thống (list_of_activeBeams).

Thủ tꢀc 2: Thủ tục này thực hiện lựa chọn các active-beam vào trong các TC

của các AP, đồng thời loại bỏ nhiễu CCI trong hệ thống

Bước 1: Lựa chọn một active-beam có trọng số độ ưu tiên cao nhất vào một

TC và đồng thời đảm bảo beam đang xét không gây nhiễu nội ô.

Bước 2: Bước này thực hiện xem xét loại bỏ nhiễu liên ô ICI trong hệ thống.

3.4.3 Thuật toán phân bꢂ tꢃi nguyên kênh con

Khi AP nhận được thông tin về các chùm sáng trong các TC của nó, quá

trình phân bổ các RU tới các UE được thực hiện. AP có N_tthành phần-OFDMA và

tại mỗi thành phần có K RU (ở đây 1 RU là 1 kênh con). Thuật toán được mô tả như

sau:

Thủ tꢀc 1: Thủ tục này thực hiện tạo danh sách các UE đang được phục vụ

bởi các chùm sáng trong TC (set_UE).

Thủ tꢀc 2: Thủ tục này thực hiện cấp phát RU cho các UE.

Bước 1: Sắp xếp set_UE theo trọng số độ ưu tiên của UE.

Bước 2: Xem xét UE đầu tiên (giả sử là ) trong set_UE. UE đầu tiên trong

danh sách là UE có độ ưu tiên cao nhất, điều này giꢀp hệ thống luôn lựa chọn được

nhưng UE có độ ưu tiên cao để được truyền dữ liệu.

Bước 3: Nếu set_UE rỗng hoặc đã cấp phát hết

RU của thành phần thì

kết thꢀc chương trình. Ngược lại, quay về bước 1.

3.5 Kết quả đánh giá hiệu năng của giải pháp nâng cao hiệu năng VLC

Nhằm kiểm chứng đề xuất, các tham số đầu vào mô phỏng được xác định như

sau. Hệ thống VLC phục vụ cho một không gian (16 m 16 m 3 m). Chiều cao của

thiết bị người dùng UE so với sàn nhà là

= 1 m. Góc FOV của UE hướng lên trần

nhà và vuông góc với mặt phẳng sàn. Các UE được phân bố đều trong điện tích mô

phỏng. Kết nối mới được tạo ra thông qua quá trình Poisson với tốc độ đến trung bình 4

kết nối/ phꢀt với thời gian kết nối theo phân phối mũ trung bình là 180 giây.

Hệ thống VLC đa chùm sáng được mô phỏng trên hai cấu hình 9 chùm sáng

(S₁) và 25 chùm sáng (S₂). Để đảm bảo không có khu vực mù trong hệ thống, dựa

vào công thức (3.2) và (3.3), xác định được cần ít nhất 4 × 4 AP được lắp đặt trong

căn phòng. Các thông số mô phỏng được trình bày trong Bảng 3.2.