(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu giải pháp công nghệ truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy trong mạng 5G
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.93 MB, 72 trang )
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------
NGUYỄN HỒNG VĂN
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ TRUYỀN
THÔNG SỬ DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY TRONG
MẠNG 5G
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
HÀ NỘI - 2021
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------
NGUYỄN HỒNG VĂN
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ TRUYỀN
THÔNG SỬ DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY TRONG
MẠNG 5G
CHUN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THƠNG
MÃ SỐ:
8.52.02.08
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. ĐẶNG THẾ NGỌC
HÀ NỘI - 2021
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn: "Nghiên cứu giải pháp cơng nghệ truyền thơng sử
dụng ánh sáng nhìn thấy trong mạng 5G" là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi.
Việc sử dụng kết quả, trích dẫn tài liệu tham khảo trên các tạp chí, các trang web
tham khảo đảm bảo theo đúng quy định. Các nội dung trích dẫn và tham khảo các tài liệu,
sách báo, thông tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và trang web theo danh mục tài
liệu tham khảo của luận văn.
Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm cho lời cam đoan của mình.
Hà Nội, ngày tháng năm 2021
Học viên
Nguyễn Hồng Văn
ii
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến quý thầy, cô Học viện Công nghệ
Bưu chính Viễn thơng trong thời gian qua đã dìu dắt và tận tình truyền đạt cho em những
kiến thức, kinh nghiệm vơ cùng q báu mà em có được kết quả ngày hôm nay.
Xin trân trọng cảm ơn PGS.TS. Đặng Thế Ngọc, người hướng dẫn khoa học của luận
văn, đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ về mọi mặt để hoàn thành luận văn.
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô trong Khoa Đào tạo Sau Đại học
đã tận tình truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong q trình học
tập nghiên cứu, hồn thành luận văn.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng để hồn thành luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và khả
năng của mình, tuy nhiên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Kính
mong nhận được sự chia sẻ và đóng góp ý kiến của các thầy, cơ giáo và các bạn đồng
nghiệp.
Trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng năm 2021
Học viên
Nguyễn Hồng Văn
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................ii
MỤC LỤC .......................................................................................................................... iii
DANH MỤC VIẾT TẮT..................................................................................................... vi
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................................ ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................. xi
MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG 5G ...................................................................... 3
1.1. Giới thiệu chung về mạng di động 5G .................................................................... 3
1.2. Cấu trúc mạng 5G ................................................................................................... 6
1.3. Một số kịch bản trong mạng di động 5G ................................................................ 9
1.3.1. Những kịch trong mạng di động 5G ................................................................ 9
1.3.2.
Những yêu cầu kỹ thuật trong mạng di động 5G ........................................... 10
1.4. Kết luận chương 1 ................................................................................................. 15
CHƯƠNG 2: CƠNG NGHỆ TRUYỀN THƠNG SỬ DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY
............................................................................................................................................ 16
2.1.
Tổng quan về công nghệ VLC ........................................................................... 16
2.1.1. Khái niệm về công nghệ VLC ........................................................................ 16
2.1.2. Những ưu điểm của công nghệ VLC ............................................................. 17
2.2.
Ứng dụng của công nghệ VLC .......................................................................... 18
2.2.1. LiFi ................................................................................................................. 18
2.2.2.
Giao tiếp giữa các phương tiện trong hệ thống giao thông thông minh ........ 18
iv
2.2.3.
Giao tiếp dưới nước ....................................................................................... 19
2.2.4.
Truyền thông trong môi trường đặc biệt ........................................................ 19
2.2.5.
Mạng cục bộ WLAN ...................................................................................... 19
2.3.
Mơ hình hệ thống VLC ...................................................................................... 20
2.3.1. Bộ phát trong hệ thống VLC .......................................................................... 21
2.3.2. Mơ hình kênh thơng tin trong VLC ............................................................... 23
2.3.3. Bộ thu trong hệ thống VLC ............................................................................... 24
2.4.
Những phương pháp điều chế sử dụng trong hệ thống ..................................... 27
2.4.1. Giới thiệu ........................................................................................................ 27
2.4.2. Cơ chế điều chế khóa đóng mở (OOK) .......................................................... 28
2.4.2.
Phương pháp điều chế vị trí xung biến đổi (Variable Pulse Position
Modulation – VPPM) .................................................................................................. 31
2.4.4. Phương pháp điều chế Khóa dịch màu (Color-Shift Keying) ........................ 33
2.5.
Kết luận chương 2 ............................................................................................. 36
CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP TÍCH HỢP CƠNG NGHỆ TRUYỀN THƠNG SỬ DỤNG
ÁNH SÁNG NHÌN THẤY VÀO TRONG MẠNG 5G ..................................................... 36
3.1. Giải pháp tích hợp VLC trong mạng 5G .............................................................. 36
3.1.1. Giới thiệu hệ thống giao thông thông minh (ITS).......................................... 37
3.1.2. Truyền thông trong mạng lưới các phương tiện............................................. 38
3.1.3.
Ứng dụng VLC vao trong hệ thống giao thông thông minh ......................... 41
3.1.4. Thử nghiệm mạng 5G .................................................................................... 42
3.2.
Mơ hình tích hợp VLC trong mạng 5G ............................................................. 46
3.2.1. Mơ hình tích hợp VLC trong mạng 5G .......................................................... 46
3.2.2. VLC cho dịch vụ giao thông thông minh ....................................................... 47
3.2.3. Kiến trúc thử nghiệm tích hợp VLC trong mạng 5G ..................................... 49
v
3.3. Phân tích và đánh giá ............................................................................................ 50
3.4. Kết luận chương 3 ................................................................................................. 55
KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 55
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................. 56
vi
DANH MỤC VIẾT TẮT
Từ viết tắt
3GPP
AAU
APD
AWGN
BBU
BER
BIC
BS
CDF
CPC
CPE
CPRI
CSK
C-V2X
D2D
E2E
eMBB
FDM
FOV
IM/DD
IMT
IoT
ISI
ITS
ITU
KPI
Tiếng Anh
3rd Generation Partnership
Project
Active Antenna Units
Avalanche Photodiode
Additive White Gaussian Noise
Base Band Unit
Bit Error Rate
Bayesian Information Criterion
Base System
Cumulative Distribution
Function
Compound Parabolic
Concentrator
Customer Premise Equipment
Common Public Radio
Interface
Color Shift Keying
Cellular - Vehicle to Everything
Device to Device
End to End
Enhanced Mobile Broadband
Frequency Division
Multiplexing
Field of View
Intensity Modulation/Direct
Detection
International Mobile
Telecommunication
Internet of Things
Intersymbol Interference
Intelligent Transport System
International
Telecommunication Union
Key Performance Indicator
Tiếng Việt
Dự án đối tác thế hệ thứ 3
Đơn vị ăng ten tích cực
Diode tách quang thác
Tạp âm Gaussian trắng cộng
Đơn vị băng tần cơ sở
Tỉ lệ lỗi bit
Tiêu chí thơng tin Bayes
Hệ thống cơ sở
Hàm phân phối tích lũy
Bộ tập trung quang parabol kết hợp
Thiết bị tiền đề của khách hàng
Giao diện vơ tuyến cơng cộng
chung
Khóa dịch màu
Phương tiện di động tới mọi thứ
Thiết bị đến thiết bị
Đầu cuối tới đầu cuối
Nâng cao di động băng thông rộng
Ghép kênh phân chia theo tần số
Trường nhìn thấy
Điều chế cường độ/tách sóng trực
tiếp
Viễn thơng di động quốc tế
Internet Vạn Vật
Xuyên nhiễu
Hệ thống giao thông thông minh
Liên minh Viễn thông Quốc tế
Chỉ số đánh giá hiệu quả công việc
vii
LAN
LED
Local Area Network
Light Emitting Diode
Li-Fi
Light Fidelity
LOS
LTE
Line of Sight
Long Term Evolution
LTE-M
LTE For M2M
MBB
MEC
Mobile Broadband
Multi Access Edge Computing
Multiple Input and Multiple
MIMO
Output
Massive Machine
MMC
Communications
MME
Mobility Management Entity
Massive Machine Type
mMTC
Communication
MMWAVE Millimeter Wave
NB-IoT
NOMA
NR
NRZ
NS
NSA
O&M
OFDM
OOK
PER
PoE
PPM
PSD
QoE
QoS
RAN
Narrowband IoT
Non Orthogonal Multiple
Access
New Radio
None-Return-to-Zero
Network Slicing
Non-Standalone
Operations and Maintenance
Orthogonal Frequency-Division
Multiplexing
On-Off-Keying
Probability Density Function
Packet Error Rate
Power over Ethernet
Pulse Position Modulation
Power Spectral Density
Quality of Experience
Quality of Service
User Plane Function
Mạng máy tính cục bộ
Diode phát quang
Truyền thơng khơng dây sử dụng
ánh sáng nhìn thấy
Đường nhìn thấy
Tiến hóa dài hạn
Biến thể LTE phục vụ cho giao tiếp
giữa máy với máy
Di động băng thơng rộng
Điện tốn biên đa truy cập
Đa đầu vào, đa đầu ra
Truyền thông kiểu máy số lượng
lớn
Thực thể quản lý di dộng mạng 4G
Truyền thơng kiểu máy số lượng
lớn
Sóng vô tuyến milimet
Tiêu chuẩn công nghệ vô tuyến
mạng diện rộng công suất thấp
Đa truy nhập không trực giao
Vô tuyến mới
Không trở về 0
Công nghệ phân lớp mạng
Chế độ không độc lập
Vận hành và bảo trì
Ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao
Khóa bật tắt
Hàm mật độ xác suất
Tỷ lệ lỗi gói
Cấp nguồn qua cáp Ethernet
Điều chế vị trí xung
Mật độ phổ công suất
Chất lượng trải nghiệm
Chất lượng dịch vụ
Mạng truy nhập vô tuyến
viii
RAT
RF
Radio Access Technology
Radio Frequency
RSU
Roadside Unit
SA
SLA
SMS
SNR
SNR
TDM
UDN
UE
URC
Standalone
Service Level Agreements
Short Message Services
Signal to Noise Ratio
Signal to Noise Ratio
Time Division Multiplexing
Ultra-Dense Network
User Equipment
Ultra Reliable Communications
Ultra Reliability Low Latency
Communication
Ultra-Violet
Vehicle to Infrastructure
Communications
Vehicle to Network
Communications
Vehicle to Vehicle
Communications
Vehicle to Everything
Communications
uRLLC
UV
V2I
V2N
V2V
V2X
Công nghệ truy cập vô tuyến
Tần số vô tuyến
Trạm thu phát đặt cố định bên
đường
Chế độ độc lập
Thảo thuận mức dịch vụ
Dịch vụ tin nhắn ngắn
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu
Ghép kênh phân chia theo thời gian
Mạng mật độ siêu cao
Thiết bị người dùng
Truyền thông siêu tin cậy
Truyền thông độ trễ thấp và cực
đáng tin cậy
Cực tím
Quảng bá từ phương tiện tới cơ sở
hạ tầng
Quảng bá phương tiện tới mạng
Quảng bá từ phương tiện tới
phương tiện
Quảng bá từ phương tiện tới mọi
thứ
Truyền thông bằng ánh sáng nhìn
thấy
VLC
Visible Light Communication
VPPM
Variable Pulse Position
Modulation
Điều chế vị trí xung biến đổi
Wi-Fi
Wireless Fidelity
Truyền thơng khơng dây sử dụng
sóng vơ tuyến
ix
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Mạng di động qua các thế hệ ................................................................................ 3
Hình 1.2: Lưu lượng di động tồn cầu ................................................................................. 5
Hình 1.4. Kiến trúc mạng 5G theo mạng lát cắt ................................................................... 8
Hình 1.5: Ba kịch bản trong mạng di động 5G [18] ............................................................. 9
Hình 1.6: Khác biệt từ tiêu chuẩn IMT-Advanced lên IMT-2020 [19] ............................. 13
Hình 1.7: Vai trị của các khả năng chính trong các kịch bản khác nhau [19] ................... 14
Hình 2.1: Quang phổ ánh sáng nhìn thấy ........................................................................... 16
Hình 2.2: VLC dành cho liên lạc giữa các phương tiện ..................................................... 18
Hình 2.3: Mơ hình cơ sở của hệ thống VLC ...................................................................... 20
Hình 2.4: Sơ đồ khối hệ thống VLC ................................................................................... 21
Hình 2.5: Mơ hình thành phần nguồn phát trong một hệ thống VLC ................................ 21
Hình 2.6: Hai phương pháp tạo phát xạ trắng từ đèn LED ................................................ 22
Hình 2.7: Mơ hình hóa kênh VLC với IM/DD ................................................................... 23
Hình 2.8: Mơ hình bộ thu tín hiệu trong VLC .................................................................... 24
Hình 2.9: Bộ tập trung quang CPC ..................................................................................... 24
Hình 2.10: Qúa trình phản xạ tại CPC ................................................................................ 25
Hình 2.11: Phía thu của hệ thống VLC. ............................................................................. 26
Hình 2.12: Cấu tạo của PIN- Photodiode. .......................................................................... 26
Hình 2.13: Cấu tạo của Diode quang thác APD. ................................................................ 27
Hình 2.14: Sơ đồ khối của máy thu của hệ thống IM/DD điển hình .................................. 28
Hình 2.15: Biểu diễn khoảng cách nhỏ nhất ...................................................................... 30
Hình 2.16: Hàm cơ sở của 2-PPM ...................................................................................... 32
Hình 2.17. Hàm gán màu XYZ .......................................................................................... 34
Hình 2.18. Khơng gian màu CIE với hai trục xy và 7 dải màu (000 đến 110) .................. 35
Hình 3.1: Mơ hình cấu trúc liên kết mạng VLC-5G .......................................................... 46
Hình 3.2: Chiến dịch đo I2V sử dụng đèn giao thơng dựa trên VLC ................................ 48
Hình 3.3: Kiến trúc thử nghiệm tích hợp VLC trong mạng 5G ......................................... 49
Hình 3.4: Độ trễ tối đa được đo từ đầu cuối [3] ................................................................. 50
Hình 3.5: Độ trễ tối thiểu được đo từ đầu cuối [3] ............................................................. 51
x
Hình 3.6: Phân phối thực nghiệm về độ trễ của liên kết 5G và tệp PDF của các phân phối
phù hợp [3] ......................................................................................................................... 52
Hình 3.7: Phân phối thực nghiệm độ trễ của hệ thống tổng thể (liên kết 5G và liên kết
VLC) và các tệp PDF của các phân phối phù hợp [3] ........................................................ 52
Hình 3.8: CDF và CDF lỗi độ trễ cho dữ liệu thực nghiệm và phân phối phù hợp. Chỉ liên
kết 5G [3] ............................................................................................................................ 54
Hình 3.9: CDF và CDF lỗi độ trễ cho dữ liệu thực nghiệm và phân phối phù hợp. Hệ
thống tổng thể (liên kết 5G và liên kết VLC) [3] ............................................................... 54
xi
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Các chỉ số đánh giá năng suất của mạng 5G...................................................... 10
Bảng 1.2: Các chỉ số hiệu suất chính của mạng 5G ........................................................... 12
Bảng 1.3: Các giá trị yêu cầu cho mỗi khả năng chính trong IMT-2020 ........................... 13
Bảng 2.1. Các dải màu trong không gian màu CIE 1931 với tọa độ màu (x, y) ................ 35
Bảng 3.1: Các dịch vụ của ITS ........................................................................................... 39
Bảng 3.2: Phân phối phù hợp nhất cho công nghệ 5G và VLC ......................................... 53
1
MỞ ĐẦU
Hiện nay, truyền thông không dây đang hát triển rất nhanh trên toàn Thế Giới và đã
trở thành một phần trong cuộc sống của chúng ta vì những lợi ích mà nó mang lại là vơ
cùng to lớn. Tuy nhiên, cách truyền thông tin không dây ngày nay chủ yếu là bằng sóng vơ
tuyến và tồn tại một số nhược điểm như băng thông sẽ dần bị sử dụng hết, hạn chế khi sử
dụng trong một số môi trường đặc biệt như bệnh viện, trên máy bay,…Mặt khác, sự phát
triển mạnh của diode phát quang LED cùng với những ưu điểm của nó như hiệu quả chiếu
sáng cao, độ bền cao và tiết kệm năng lượng đang mở ra một hướng đi mới trong truyền
thơng khơng dây đó là truyền thơng sử dụng ánh sáng nhìn thấy VLC. VLC đang nổi lên
như là một công nghệ truyền thông tin trong tương lai và đặc biệt cho mạng 5G, khi mà
chúng ta sử dụng nguồn phát là các bóng đèn LED thì vừa có thể dùng để chiếu sáng, vừa
có thể dùng để truyền thông tin với độ tin cậy cao. Những nghiên cứu về VLC còn tương
đối mới và có nhiều khả năng mở rộng nghiên cứu.
Với mục đích đưa những tiến bộ công nghệ vào phục vụ cho cuộc sống, tôi xin chọn
đề tài nghiên cứu “NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CƠNG NGHỆ TRUYỀN THƠNG SỬ
DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY TRONG MẠNG 5G”.
Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Hoạt động thương mại của 5G dự kiến sẽ bắt đầu trên toàn cầu vào năm 2021, với
sự ra đời của Internet of Things (IoT) và các dịch vụ UHD thực tế, truyền thơng di động
thế hệ mới được ước tính cung cấp công suất gấp 1000 lần và hỗ trợ các thiết bị thông minh
gấp 100 lần so với mạng di động hiện tại. Sự gia tăng ngoạn mục này kêu gọi cải thiện
mạnh mẽ khả năng mạng di động ngoài mạng 3G/4G hiện tại tới thế hệ tiếp theo của tiêu
chuẩn vô tuyến không dây. Thế hệ thứ 5 sắp tới (5G) được coi là một tích hợp hệ thống kết
hợp các hệ thống truyền thông không dây đã triển khai cụ thể là, LTE và Wi-Fi dưới một
giao diện vơ tuyến hồn tồn mới. Từ đó mạng 5G sẽ giúp những công nghệ quan trọng
như: xe tự lái, phương tiện giao thông thông minh trở nên phổ biến hơn. Đặc biệt, cơng
nghệ truyền sử dụng ánh sáng nhìn thấy VLC có thể cung cấp tốc độ dữ liệu rất cao, tiêu
thụ năng lượng thấp, độ trễ và chi phí triển khai thấp. Như vậy, cơng nghệ VLC khơng dây
2
đang trở thành một lựa chọn hấp dẫn dành cho liên lạc giữa các phương tiện , vì thơng tin
có thể được truyền qua lại bằng cách sử dụng ánh sáng đèn như đèn giao thơng, đèn xe,…
Mục đích nghiên cứu
-
Nắm bắt được tổng quan về mạng 5G di động.
-
Có cái nhìn cụ thể về cơng nghệ truyền thơng sử dụng ánh sáng nhìn thấy ứng dụng
trong mạng 5G.
-
Đưa ra một số khảo sát, đánh giá hiệu năng hệ thống truyền thơng sử dụng ánh sáng
nhìn thấy.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
-
Đối tượng nghiên cứu: Công nghệ truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy.
-
Phạm vi nghiên cứu: Cơng nghệ truyền thơng sử dụng ánh sáng nhìn thấy ứng dụng
trong mạng di động 5G.
Phương pháp nghiên cứu
-
Nghiên cứu lý thuyết, tìm hiểu các cơng nghệ truyền thơng sử dụng ánh sáng nhìn
thấy và ứng dụng trong mạng 5G.
-
Sử dụng các công cụ mô phỏng, khảo sát và đánh giá trên một tập dữ liệu đã có sẵn.
Bố cục của luận văn
-
Nội dung của luận văn bao gồm các chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về mạng 5G.
Chương 2: Công nghệ truyền thơng sử dụng ánh sáng nhìn thấy.
Chương 3: Giải pháp tích hợp cơng nghệ truyền thơng sử dụng ánh sáng nhìn thấy
vào trong mạng 5G.
