luận văn: định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy kết hợp với bộ lọc kalman mở rộng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
===============

NGUYỄN NGỌC TÂN

ĐỊNH VỊ ROBOT SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ
TRUYỀN THÔNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY KẾT
HỢP VỚI BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HÀ NỘI - 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
===============

NGUYỄN NGỌC TÂN

ĐỊNH VỊ ROBOT SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ
TRUYỀN THÔNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY KẾT
HỢP VỚI BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG

Ngành: Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60 52 02 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN NAM HOÀNG

HÀ NỘI - 2014


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những nội dung tôi viết dưới đây là hồn tồn chính thống,
khơng sao chép, những kết quả đo đạc mơ phỏng có trong luận văn thạc sĩ chưa từng
được công bố từ bất cứ tài liệu nào dưới mọi hình thức. Các thơng tin sử dụng trong
luận văn thạc sĩ có nguồn gốc và được trích dẫn rõ ràng.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm nếu có dấu hiệu sao chép kết quả từ các tài
liệu khác.

Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2014
TÁC GIẢ

NGUYỄN NGỌC TÂN

1


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Nam Hồng, người đã
tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp thạc sĩ trong suốt
thời gian vừa qua.
Luận văn được hỗ trợ trong khuôn khổ đề tài QG.13.06: “Quản lý tài nguyên vô
tuyến trong mạng truyền thông di động thế hệ thứ 5 (5G) với ứng dụng công nghệ
truyền thơng nhận thức và kiến trúc femtocell”.
Ngồi ra, tơi xin gửi lời cảm ơn đến TS. Keattisak Sripimanwat hiện đang công
tác tại viện công nghệ NECTEC, Thái Lan và TS. Anan Suebsomran hiện đang công

tác tại trường đại học KMUTNB, Thái Lan. TS. Keattisak Sripimanwat và TS. Anan
Suebsomran đã giúp đỡ tôi rất nhiều về mặt kiến thức cũng như tạo điều kiện thuận lợi
để tơi hồn thành luận văn thạc sĩ của mình.
Tơi cũng xin cảm ơn các q thầy cô, các anh chị và các bạn tại khoa Điện tử Viễn thơng, Đại học Cơng nghệ đã có những góp ý kịp thời và bổ ích, giúp đỡ tơi
trong suốt q trình nghiên cứu luận văn này.
Cuối cùng, tơi cũng xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè, những
người đã ln ủng hộ em trong suốt q trình học tập và hồn thành chương trình đào
tạo Thạc sĩ tại khoa Điện tử – Viễn thông, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc
Gia Hà Nội.
Mặc dù tôi đã nỗ lực và cố gắng hồn thiện luận văn thạc sĩ bằng tất cả nhiệt
tình và năng lực của mình, tuy nhiên khơng thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong
nhận được những đóng góp quý báu của quý thầy cô và các bạn.
Tôi xin chân thành cảm ơn.

Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2014
HỌC VIÊN

NGUYỄN NGỌC TÂN
2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ 2
MỤC LỤC .................................................................................................................. 3
DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT .............................................................. 6
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................... 8
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ 10
LỜI MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 11
Chương 1 .................................................................................................................. 13

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VLC – TRUYỀN THƠNG SỬ DỤNG ............ 13
ÁNH SÁNG NHÌN THẤY ....................................................................................... 13
1.1. Đèn LED trắng .................................................................................................... 13
1.1.1. Một vài nét sơ lược ................................................................................... 13
1.1.2. Các đặc trưng ........................................................................................... 15
1.1.3. Ưu nhược điểm ......................................................................................... 16
1.2. Mô tả hệ thống VLC............................................................................................ 17
1.2.1. Mơ hình hệ thống ...................................................................................... 17
1.2.2. Cấu hình đường truyền ............................................................................. 21
1.2.3. Kênh IM-DD ............................................................................................. 21
1.2.4. Công suất quang nhận .............................................................................. 22
1.3. Đặc trưng của công nghệ VLC ............................................................................ 24
1.3.1. Tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) ............................................................... 24
1.3.2. Tốc độ truyền dữ liệu ................................................................................ 25
1.4. Ứng dụng và một số sản phẩm thực tế ................................................................. 27
1.4.1. Truyền thơng di động ................................................................................ 27
1.4.2. Truyền hình............................................................................................... 28
1.4.3. Nhà thơng minh ........................................................................................ 29
1.4.4. Hệ thống giao thông thông minh ............................................................... 29
1.4.5. Định vị và dẫn đường................................................................................ 30
3


1.5. Tóm tắt chương một ............................................................................................ 31
Chương 2 .................................................................................................................. 32
ĐỊNH VỊ TRONG MÔI TRƯỜNG TRONG NHÀ................................................ 32
2.1. Các phương pháp định vị ứng dụng công nghệ VLC ........................................... 33
2.1.1. Phương pháp định vị dựa trên thời gian sóng ánh sáng tới (TOA) ............ 33
2.1.2. Phương pháp định vị dựa trên độ chênh lệch thời gian của các sóng ánh
sáng tới (TDOA) .................................................................................................. 35

2.1.3. Phương pháp định vị dựa trên cường độ tín hiệu nhận được (RSS) ........... 37
2.1.4. Phương pháp định vị dựa trên góc của sóng ánh sáng tới (AOA) .............. 38
2.2. Phương pháp định vị kết hợp AOA-RSS ............................................................. 41
2.2.1. Mơ hình hệ thống ...................................................................................... 41
2.2.2. Nhiễu hệ thống .......................................................................................... 42
2.2.3. Cơ chế hoạt động ...................................................................................... 43
2.3. Tóm tắt chương hai ............................................................................................. 44
Chương 3 .................................................................................................................. 46
ÁP DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG TRONG ĐỊNH VỊ ROBOT............ 46
3.1. Mô hình hệ thống: Cấu hình động học ................................................................. 47
3.1.1. Cập nhật vị trí........................................................................................... 47
3.1.2. Sai số hệ thống.......................................................................................... 48
3.2. Mơ hình phép đo ................................................................................................. 50
3.2.1. Mơ hình phép đo lý tưởng ......................................................................... 50
3.2.2. Mơ hình phép đo thực tế ........................................................................... 51
3.3. Bộ lọc Kalman mở rộng ...................................................................................... 51
3.3.1. Ước đoán vị trí.......................................................................................... 53
3.3.2. Hiệu chỉnh vị trí ........................................................................................ 54
3.4. Điều khiển robot bám quỹ đạo di chuyển............................................................. 55
3.5. Tóm tắt chương 3 ................................................................................................ 58
Chương 4 .................................................................................................................. 59
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ .............................................................. 59
4.1. Mô phỏng phương pháp định vị kết hợp AOA–RSS ............................................ 59
4


4.1.1. Kịch bản mơ phỏng ................................................................................... 59
4.1.2. Chương trình mơ phỏng ............................................................................ 59
4.1.3. Kết quả mô phỏng ..................................................................................... 62
4.2. Mô phỏng hoạt động của bộ lọc Kalman mở rộng ............................................... 64

4.2.1. Kịch bản mơ phỏng ................................................................................... 64
4.2.2. Chương trình mơ phỏng ............................................................................ 64
4.2.3. Kết quả mô phỏng ..................................................................................... 65
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 68
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN
LUẬN VĂN .............................................................................................................. 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 70
PHỤ LỤC A ............................................................................................................. 73
PHỤ LỤC B ............................................................................................................. 81

5


DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

4G
5G
AOA
AOA–
RSS
CEP
CRLB
DC
DD
DMT
EKF
FET
FOV
GPS
IEEE

IM
IR
IRB
KF
LED
LOS
LS
LTE
MIMO

Fourth Generation
Fifth Generation
Angle of Arrival
Angle of Arrival – Received Signal
Strength
Circular Error Probability
Cramér-Rao Lower Bound
Direct Current
Direct Detection
Discrete Multi-Tone modulation
Extended Kalman Filter
Field Effect Transistor
Field of View
Global Positioning System
Institute
of
Electrical
and
Electronics Engineers
Intensity Modulation

Infrared
Infrared Band
Kalman Filter
Light Emitting Diode
Light of Sight
Least square
Long-Term Evolution
Multi Input – Multi Output

NLOS
OOK
PD
PPM
RF
RFB
RFID

Non Light of Sight
On-Off Keying
Photodiode
Pulse Position Modulation
Radio Frequency
Radio Frequency Band
Radio Frequency Identification

RSS

Received Signal Strength
6

Mạng di động thế hệ thứ tư
Mạng di động thế hệ thứ năm
Góc của tia sáng tới
Kết hợp hai phương pháp AOA và
RSS
Xác suất vòng tròn lỗi
Chặn dưới Cramér-Rao
Dòng trực tiếp
Tách sóng trực tiếp
Điều chế đa tần rời rạc
Bộ lọc Kalman mở rộng
Transitor hiệu ứng trường
Trường thu nhận ánh sang
Hệ thống định vị toàn cầu
Viện kỹ thuật điện và điện tử
Điều chế cường độ
Hồng ngoại
Dải bước song hồng ngoại
Bộ lọc Kalman
Đi-ốt phát quang
Phương truyền thẳng
Bình phương tối thiểu
Mạng 4G
Kỹ thuật sử dụng nhiều đầu vào và
đầu ra
Phương truyền gián tiếp
Điều chế ON/OFF
Bộ nhận quang
Điều chế vị trí xung
Sóng vơ tuyến

Dải sóng vơ tuyến
Nhận dạng dựa vào tần số sóng vơ
tuyến
Cường độ tín hiệu nhận


SNR
TDOA

Signal to Noise Ratio
Time Difference of Arrival

TOA
UVLED
VLC

Time of Arrival
Ultra Violet – Light Emitting Diode

WDM
YAG

Wavelength Division Multiplexing
Yttrium Aluminum Garnet

Visible Light Communications

7

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

Độ chênh lệch về thời gian của các
tia sáng tới
Thời gian của tia sáng tới
Đèn LED sử dụng tia cực tím
Cơng nghệ truyền thơng sử dụng
ánh sáng nhìn thấy
Ghép kênh quang theo bước sóng
Granat ytri-nhơm


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Vùng ánh sáng nhìn thấy trong phổ bức xạ điện từ [2]................................ 14
Hình 1.2. Các loại đèn LED trắng cơ bản. .................................................................. 14
Hình 1.3. Sơ đồ khối của cơng nghệ truyền thơng bằng ánh sáng nhìn thấy. .............. 18
Hình 1.4. Sơ đồ khối cho cơ chế điều chỉnh độ sáng của đèn LED. ............................ 19
Hình 1.5: Mơ hình thực tế của cơng nghệ VLC trong mơi trường trong nhà [3]. ........ 20
Hình 1.6. Phân loại đường truyền của hệ thống VLC [8]............................................ 21
Hình 1.7. Kênh IM/DD trong cơng nghệ VLC [3]. ..................................................... 22
Hình 1.8. Mơ hình truyền nhận ánh sáng trực tiếp (LOS). .......................................... 23
Hình 1.9. Mơ hình truyền phát của khi có tia sáng phản xạ (NLOS)........................... 24
Hình 1.10. Cơng nghệ truyền thơng VLC ứng dụng trong phịng họp (nguồn Internet).
................................................................................................................. 27
Hình 1.11. Cơng nghệ VLC được sử dụng trong bệnh viện [11]................................. 28
Hình 1.12. Sơ đồ khối của bộ phát video và audio[12]. .............................................. 28
Hình 1.13. Sơ đồ khối của bộ nhận video và audio[12]. ............................................. 29
Hình 1.14. Mơ hình nhà thơng minh sử dụng cơng nghệ VLC [11]. ........................... 29
Hình 1.15. Hệ thống giao thơng thơng minh (nguồn: Internet). .................................. 30
Hình 1.16. Hệ thống dẫn đường E-mart trong siêu thị (nguồn: Internet). .................... 30
Hình 2.1. Đường trịn tưởng tượng chứa các điểm nhận được thời gian truyền ánh sáng
như nhau. .................................................................................................. 33

Hình 2.2. Vị trí robot trong vùng giao cắt của các đường trịn tưởng tượng. ............... 34
Hình 2.3. Mơ hình hệ thống của phương pháp TDOA. ............................................... 35
Hình 2.4. Phương pháp định vị hyperbol. ................................................................... 36
Hình 2.5. Các tham số trong phương pháp định vị RSS. ............................................ 38
Hình 2.6. Mơ hình hệ thống của phương pháp định vị AOA. ..................................... 39
Hình 2.7. Mơ hình và các thơng số hệ thống. ............................................................. 39
Hình 2.8. Kịch bản mơ phỏng thuật tốn định vị AOA............................................... 40
Hình 2.9. Sai số của phương pháp định vị AOA......................................................... 41
Hình 2.10. Mơ hình hệ thống kết hợp AOA-RSS sử dụng mảng PD. ......................... 42

8


Hình 3.1. Mơ hình robot hai bánh vi sai. a) Trạng thái của hệ thống robot.
b) Robot trong hệ tọa độ địa phương và tồn cục. ..................................... 47
Hình 3.2. Vận tốc của hai động cơ trái và phải khi chạy thẳng. .................................. 49
Hình 3.3. Ứng dụng thơng thường của bộ lọc Kalman [24]. ....................................... 52
Hình 3.4. Sơ đồ minh họa ứng dụng của bộ lọc Kalman trong định vị robot. ............. 53
Hình 3.5. Robot bị lệch khỏi quỹ đạo của nó do các sai số hệ thống........................... 56
Hình 3.6. Robot và quỹ đạo di chuyển của nó. ........................................................... 57
Hình 3.7. “Cơ chế bù” và các thơng số...................................................................... 57
Hình 3.8. Sơ đồ khối điều khiển của “cơ chế bù”. ...................................................... 58
Hình 4.1. Mơ hình mơ phỏng. .................................................................................... 60
Hình 4.2. Kịch bản mô phỏng phương pháp định vị kết hợp AOA–RSS. ................... 60
Hình 4.3. Sơ đồ khối của chương trình mơ phỏng phương pháp ................................. 62
định vị kết hợp AOA– RSS. ....................................................................... 62
Hình 4.4. Sai số của phương pháp định vị kết hợp AOA–RSS ................................... 63
trong trường hợp số PD là K1 = 8. .............................................................. 63
Hình 4.5. Sai số của phương pháp định vị kết hợp AOA–RSS ................................... 63
trong trường hợp số PD là K2 = 12. ............................................................ 63

Hình 4.6. Sai số của phương pháp định vị kết hợp AOA–RSS ................................... 63
trong trường hợp số PD là K3 = 16. ............................................................ 63
Hình 4.7. Sơ đồ khối của chương trình mơ phỏng bộ lọc Kalman Filter. .................... 65
Hình 4.8. Độ chính xác của phương pháp định vị kết hợp AOA–RSS khi áp dụng và
khi không áp dụng bộ lọc Kalman mở rộng. .............................................. 66
Hình 4.9. Hoạt động của bộ lọc Kalman mở rộng trong vai trị một “cơ cấu bù”. ....... 67
Hình 4.10. Độ lệch so với quỹ đạo của robot trong trường hợp có sử dụng và khơng sử
dụng bộ lọc Kalman mở rộng. ................................................................... 67

9


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. So sánh những đặc tính của các công nghệ truyền thông VLC, IRB, RFB
[2]. ............................................................................................................ 20
Bảng 1.2. Hiệu suất của các hệ thống truyền thông VLC có tốc độ cao [2]. ............... 26
Bảng 2.1. Các tham số hệ thống trong mơ hình hệ thống VLC. .................................. 43

10


LỜI MỞ ĐẦU
Trong những thập kỉ vừa qua, công nghệ truyền thơng sử dụng sóng vơ tuyến
(Radio Frequency-RF) đã phát triển rất mạnh mẽ và chiếm ưu thế trong việc truyền tải
thông tin liên lạc và dữ liệu. Công nghệ này đã phát triển đến thế hệ di động thứ tư (4G
hay còn gọi là LTE – Long Term Evolution) và hiện nay, nó vẫn được xem như một
giải pháp chủ yếu trong truyền thông không dây. Tuy nhiên, công nghệ này gặp phải
rất nhiều hạn chế như nguồn tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm, nhiễu đa đường
khi đi qua các tòa nhà cao tầng và ảnh hưởng của nó tới sức khỏe con người. Ngồi ra,
cơng nghệ này cịn khơng phù hợp ở một số khu vực hạn chế sóng vơ tuyến như: bệnh

viện, đường hầm, sân bay, v.v. Do sóng vơ tuyến gây nhiễu lên các thiết bị điện tử
được sử dụng ở trong các môi trường này, làm sai lệch tín hiệu nhận được hoặc không
đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các thiết bị di động do có nhiều vật cản. Cùng với sự
phát triển của các loại vật liệu bán dẫn trong những thập kỉ gần đây và sự ra đời của điốt phát quang (LED), công nghệ VLC (Visible Light Communications) – truyền thơng
sử dụng ánh sáng nhìn thấy đã ra đời và phát triển rất nhanh chóng, nó được xem như
là công nghệ mới của truyền thông không dây bởi nhiều đặc tính vật lí nổi bật so với
các cơng nghệ truyền thơng khác như: tiêu tốn ít năng lượng, hoạt động được trong
nhưng môi trường khắc nghiệt, không gây hại cho sức khỏe con người, có khả năng
truyền dữ liệu cao, có băng thơng rộng và tính bảo mật cao đã giải quyết được các vấn
đề khó khăn cịn tồn tại ở công nghệ truyền thông vô tuyến và đặc biệt là khả năng kết
hợp giữa truyền thông và chiếu sáng.
Ngày nay, sự xuất hiện của các robot di động đã trở nên rất phổ biến trong xã
hội. Các robot di động có mặt trong các thiết bị gia đình như máy hút bụi hay các hệ
thống trợ giúp trong gia đình. Chúng ta cũng có thể dễ dàng nhìn thấy chúng ở các nơi
công cộng như các robot hướng dẫn viên trong viện bảo tàng, phòng trưng bày; hay
trong các lĩnh vực công nghiệp và quân sự như robot do thám hay robot vận chuyển
hàng hóa trong các nhà máy, v.v. Đối với những robot đòi hỏi khả năng làm việc độc
lập, thì định vị là yêu cầu đầu tiên và quan trọng nhất. Hiện nay, có một số công nghệ
định vị phổ biến như định vị GPS hoặc sử dụng các cảm biến như cảm biến siêu âm,
hồng ngoại, v.v. Tuy nhiên, định vị GPS chỉ phù hợp với mơi trường ngồi trời với sai
số lên đến hàng mét, cịn các cảm biến có độ sai số lớn và thường hoạt động trong các
khơng gian làm việc có diện tích nhỏ. Do đó, định vị cho robot trong môi trường trong
nhà trong những năm gần đây đã trở thành vấn đề nhận được nhiều sự quan tâm trong
các nghiên cứu về robot. Chính vì vậy, tơi đã lựa chọn đề tài luận văn của mình là
“Định vị robot sử dụng cơng nghệ truyền thơng ánh sáng nhìn thấy kết hợp với
bộ lọc Kalman mở rộng”. Nội dung chính của luận văn thạc sĩ này là nghiên cứu và
đề suất một phương pháp định vị mới sử dụng công nghệ VLC – truyền thơng ánh
sáng nhìn thấy dựa trên việc khảo sát các phương pháp định vị đã được đề cập trong
11

các tài liệu [19-23]. Ngoài ra, bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) còn được áp dụng trong
phạm vi của luận văn này nhằm nâng cao độ chính xác của phương pháp định vị đề
suất. Bên cạnh đó, trong nội dung của luận văn này, tơi cũng trình bày một vai trị khác
của bộ lọc Kalman, đó là điều khiển robot di động di chuyển bám theo quỹ đạo đã định
trước.
Nội dung luận văn của tôi được chia làm bốn chương. Chương một sẽ trình bày
tổng quan về cơng nghệ VLC – truyền thơng sử dụng ánh sáng nhìn thấy. Các phương
pháp định vị sử dụng công nghệ VLC sẽ được tổng hợp và đánh giá trong nội dung của
chương hai. Đồng thời, trong chương này, tôi cũng sẽ đề suất một phương pháp định vị
mới phù hợp hơn với ứng dụng định vị cho robot trong môi trường trong nhà, có độ
chính xác cao và giải quyết được các hạn chế của các phương pháp định vị trước đó.
Nội dung của chương ba sẽ trình bày về việc áp dụng bộ lọc Kalman mở rộng trong
việc định vị robot nhằm nâng cao độ chính xác của phương pháp định vị đề suất. Hai
chương trình mơ phỏng và các kết quả mô phỏng cho phương pháp định vị đề suất và
bộ lọc Kalman mở rộng trong ứng dụng định vị sẽ được trình bày chi tiết trong nội
dung của chương bốn. Cuối cùng, phần kết luận của luận văn sẽ tổng kết lại các nội
dung chính đã được trình bày trong luận văn, đồng thời đưa ra các đề suất và các
hướng nghiên cứu mới trong tương lai.

12


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VLC – TRUYỀN THÔNG SỬ DỤNG
ÁNH SÁNG NHÌN THẤY
Trong những năm gần đây, cơng nghệ VLC – truyền thơng sử dụng ánh sáng
nhìn thấy đã phát triển rất nhanh chóng và dần có mặt trong rất nhiều ứng dụng trong
đời sống xã hội. Công nghệ VLC được đề suất là một trong những mô hình cho mạng
thơng tin di động thế hệ thứ năm (5G) nhằm đáp ứng các nhu cầu ngày càng cao của

người sử dụng về chất lượng dịch vụ như tốc độ dữ liệu, giảm chi phí, các ảnh hưởng
tới sức khỏe con người, v.v. Một số tiêu chuẩn cho công nghệ VLC đã được đề suất và
đang trong quá trình hoàn thiện như tiêu chuẩn IEEE 802.15.7. Với khả năng vừa cung
cấp yêu cầu về truyền thông, vừa cung cấp yêu cầu về chiếu sáng, công nghệ VLC
được xem như là một thay thế rất tốt cho mạng truyền thông vô tuyến hiện nay trong
các môi trường trong nhà như các tòa nhà cao tầng, nơi mà nhiễu đa đường có ảnh
hưởng rất lớn. Trong nội dung của chương một, tôi sẽ giới thiệu tổng quan về các vấn
đề cơ bản trong công nghệ VLC – truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy. Đồng
thời, một số ứng dụng phổ biến nhất của công nghệ VLC cũng sẽ được đề cập đến
trong phần cuối cùng của chương này.
1.1. Đèn LED trắng
1.1.1. Một vài nét sơ lược
Trong một hệ thống truyền thông quang, các nguồn ánh sáng được sử dụng phải
đạt những yêu cầu nhất định như: bước sóng, độ rộng vạch phổ phù hợp, độ bức xạ cao
với diện tích bề mặt phát cực nhỏ, tuổi thọ và độ tin cậy cao, có khả năng hoạt động tốt
trong các mơi trường khắc nghiệt. Trong những năm gần đây, công nghệ đèn LED đã
phát triển rất mạnh mẽ và được xem là ứng cử viên số một cho các hệ thống có khả
năng chiếu sáng và truyền thơng đồng thời do thỏa mãn các điều kiện trên. Thiết bị
này hoạt động dựa trên nguyên tắc kích thích các điện tử của vật liệu bán dẫn để phát
ra ánh sáng. Bức xạ quang do sự kích thích các điện tử, bức xạ này chiếm phần lớn,
bức xạ nhiệt hầu như khơng có hoặc rất nhỏ do thành phần cấu tạo của vật liệu. Do đó,
khi áp dụng cơng nghệ này sẽ giảm được hiệu ứng nhà kính, đồng thời, cơng suất hao
tổn thấp do hầu như không bức xạ nhiệt hoặc bức xạ nhiệt rất ít. Vì lý do này mà cơng
nghệ truyền thông quang sử dụng đèn LED được coi như là một công nghệ truyền
thông xanh (Green Communications) [1].
Các đèn LED có một dải rộng các bước sóng do bức xạ quang của các vật liệu
khác nhau, từ vùng ánh sáng nhìn thấy đến vùng hồng ngoại (IR) trong dải phổ điện từ.
Trong đó, LED trắng có bức xạ trong tồn vùng ánh sáng nhìn thấy (có giới hạn nằm
trong khoảng từ 400 (nm) đến 700 (nm)) [2] (xem hình 1.1).
13

Hình 1.1. Vùng ánh sáng nhìn thấy trong phổ bức xạ điện từ [2].
Cùng với sự phát triển không ngừng trong công nghệ chế tạo đèn LED, những
vật liệu để chế tạo LED trắng cũng ngày càng phong phú và cải thiện được nhiều tính
chất quan trọng trong việc chiếu sáng và truyền thơng. Chúng ta có thể phân loại đèn
LED trắng dựa theo các loại vật liệu như sau [3]:






Đèn LED trắng đầu tiên ra đời bởi sự kết hợp của LED GaN (gallium Nitride)
phát quang xanh ở bước sóng 450 (nm) – 470 (nm) với phốt pho YAG (Yttrium
Aluminum Garnet). Loại đèn LED này hoạt động bằng cách phát ánh sáng xanh
qua lớp phủ phốt pho màu vàng để tạo ra ánh sáng trắng (xem hình 1.2).
Phương pháp thứ hai dựa trên công thức pha trộn các màu sắc khác nhau.
Trong đó, ba màu chủ đạo là đỏ (λred ~ 625 (nm)), xanh lá cây (λgreen ~ 525
(nm)) và xanh da trời (λblue ~ 470 (nm)) được phối theo một tỉ lệ nhất định (xem
hình 1.2).
Gần đây, một công nghệ mới trong việc sản xuất LED được đưa vào sử dụng,
bằng cách phối hợp UV-LED (Ultra Violet – LED, tia cực tím ở bước sóng 380
(nm)) với phốt pho. Bằng việc kết hợp UV-LED với các loại phốt pho khác
nhau chúng ta có thể thu được đèn LED trắng hoặc các loại đèn LED có màu
sắc khác như tím, da cam, hồng, .v.v để phục vụ cho mục đích trang trí và các
ứng dụng khác nhau.

Hình 1.2. Các loại đèn LED trắng cơ bản.
14

1.1.2. Các đặc trưng
1.1.2.1. Các thuộc tính cơ bản
Cường độ chiếu sáng
Cường độ chiếu sáng là đại lượng biểu thị lượng thơng năng trên mỗi góc khối
và liên quan đến độ rọi tại bề mặt được chiếu sáng. Do đó, cường độ chiếu sáng biểu
diễn độ sáng của đèn LED [4]:

I

d
d

(1.1)

Trong đó,  là góc khơng gian;  là quang thông được cho bởi thông năng  e như
sau:
780

  Km

 V (  ) ( ) d 
e

(1.2)

380

Trong đó, V ( ) là đường cong độ sáng chuẩn; Km là tầm nhìn tối đa, khoảng 683 (lm/W)

tại bước sóng λ = 555 (nm).
Công suất quang truyền
Công suất quang truyền biểu thị tổng năng lượng bức xạ từ đèn LED. Bằng
cách lấy tích phân của thơng năng  e theo tất cả mọi hướng ta thu được công suất
quang truyền Pt:
 max 2

Pt 

   d d 
e

(1.3)

 min 0

Trong đó, max và min được xác định bằng đường cong biểu diễn độ nhạy của
photodiode (PD).
1.1.2.2. Độ rọi
Độ rọi biểu diễn độ sáng tại bề mặt được chiếu sáng [4]. Cường độ chiếu sáng
khi có góc rọi ϕ là:

I ( )  I (0)cosm ( )

(1.4)

Độ rọi ngang Ehor tại điểm có tọa độ (x,y) là:
Ehor 

I (0) cos m ( ) cos( )

2
Dd

(1.5)

Trong đó, I(0) là cường độ sáng tại trung tâm của đèn LED (lm); ϕ là góc rọi và ψ là
góc của tia sáng tới; Dd là khoảng cách giữa đèn LED và bề mặt của PD (m). Cường
15


độ bức xạ phụ thuộc góc bức xạ hay góc rọi ϕ và nó có giá trị yêu cầu từ 200-1000 (lx)
trong một mơ hình văn phịng thơng thường. m là bậc của phát xạ Lambert được cho
bởi góc nửa công suất Φ1/ 2 của đèn LED như sau:

m

ln(2)
ln(cos Φ1/ 2 )

(1.6)

1.1.3. Ưu nhược điểm
Như đã đề cập trong phần trên, đèn LED trắng không chỉ được sử dụng cho
mục đích chiếu sáng trong phịng, đèn đường, và các ứng dụng liên quan đến trang trí
mà đèn LED trắng ngày nay còn được sử dụng trong các hệ thống truyền thơng khơng
dây. Hiện tại, nó được xem như là cơng nghệ chiếu sáng phổ biến nhất trong thế kỉ 21
đang dần thay thế các loại đèn truyền thống như đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang bởi
những ưu điểm của nó.
1.1.3.1. Ưu điểm
Trong tương lai chúng ta sẽ được chứng kiến sự tăng trưởng mạnh mẽ của đèn

LED trong hoạt động hoạt động chiếu sáng bởi đây là một công nghệ xanh và tiết kiệm
năng lượng. Cơng nghệ này có một số lợi thế như sau:
 Tuổi thọ cao: Thời gian sống trung bình của đèn LED trắng là 25.000 đến
1.000.000 giờ. Đây là một con số rất lớn so với thời gian hoạt động 1.000 giờ
của các bóng đèn sợi đốt thông thường.
 Hiệu suất cao: Các đèn LED trắng có lượng quang thơng (tính bằng đơn vị
lumen) trên mỗi oát phát ra lớn hơn nhiều so với các đèn nóng sáng truyền
thống. Ví dụ, một ốt sẽ có lượng quang thơng là 683 (lm) tại bước sóng 555
(nm).
 Kích thước nhỏ: LED trắng có kích thước rất nhỏ (nhỏ hơn 2 (mm2)) do đó, nó
được sử dụng rất nhiều trong các mạch điện tử và trang trí.
 Nhiệt độ hoạt động thấp: So với các nguồn phát sáng nhân tạo khác như đèn
sợi đốt (phát xạ ánh sáng do bức xạ nhiệt), đèn huỳnh quang. Các đèn LED
trắng hầu như không bức xạ nhiệt mà chủ yếu là bức xạ quang, do đó năng
lượng hao phí rất thấp.
 Dễ dàng điều chỉnh độ sáng của đèn LED: Có thể dễ dàng điều chỉnh độ sáng
của các đèn LED bằng phương pháp điều chỉnh độ rộng xung hoặc cường độ
dịng điện qua LED.
 An tồn và khơng ảnh hưởng tới sức khỏe: Các đèn LED trắng không bức xạ
tia cực tím, khơng chứa thủy ngân trong thành phần cấu tạo, vì vậy nguồn phát
sáng này khơng ảnh hưởng cho sức khỏe và an toàn cho mắt của con người.
16


 Sự đa dạng về màu sắc: Sự đa dạng về màu sắc trong vùng ánh sáng nhìn thấy
của đèn LED được thực hiện đơn giản bằng việc phối hợp ba màu sắc cơ bản
(đỏ, xanh da trời, xanh lá cây) với một tỉ lệ thích hợp mà khơng cần sử dụng bất
kỳ bộ lọc màu sắc nào như các nguồn phát sáng nhân tạo thông thường.
 Khả năng phát sáng tập trung: Do lợi thế về kích thước rất nhỏ cùng với khả
năng bức xạ cao, chúng ta có thể dễ dàng điều chỉnh góc khối của đèn LED để

đạt được khả năng phát tập trung cao so với nguồn ánh sáng sợi đốt và huỳnh
quang.
1.1.3.2. Nhược điểm
Bên cạnh những ưu điểm vượt trội so với các loại đèn truyền thống thì các đèn
LED trắng cũng tồn tại một số nhược điểm do nhiều yếu tố mang lại như:
 Giá thành cao: Hiện nay, đèn LED trắng vẫn có giá thành cao hơn so với công
nghệ chiếu sáng thông thường.
 Phụ thuộc nhiệt độ: Hiệu suất của đèn LED bị ảnh hưởng lớn bởi nhiệt độ
xung quanh quanh nơi nó đang hoạt động. Điều này có thể khiến đèn LED bị
hỏng trong khi đang bức xạ ánh sáng.
 Phân cực điện: Các đèn LED trắng chỉ hoạt động nếu ta phân cực đúng cho nó
trong khi đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang không bị ảnh hưởng bởi cơ chế phân
cực điện này.
 Độ nhạy điện áp: Các đèn LED trắng phải được cung cấp một điệp áp có giá trị
trên một ngưỡng nhất định và dòng đi qua phải thấp hơn một giá trị nhất định.
 Mức độ phân kì: Các đèn LED trắng khơng thể cung cấp mức độ phân kì thấp
hơn vài độ. Trong khi đó, nguồn phát sáng Laser có thể phát những tia sáng có
mức độ phân tán khoảng 0.2 độ hoặc nhỏ hơn.
1.2. Mơ tả hệ thống VLC
1.2.1. Mơ hình hệ thống
Hình 1.3 là sơ đồ khối của một hệ thống truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn
thấy (VLC). Một hệ thống VLC có thể dễ dàng thực hiện được bằng cách điều chế tín
hiệu theo mức độ sáng - tối của đèn LED. Việc điều khiển độ sáng một cách chính xác
là một thách thức lớn đối với các đèn sử dụng bức xạ nhiệt, trong khi đó, các đèn LED
có thể điều chỉnh được chính xác độ sáng – tối một cách dễ dàng bởi vì đáp ứng thời
gian của chuyển mạch ON-OFF của đèn LED là rất nhỏ (chỉ khoảng vài chục nano
giây). Vì vậy, bằng việc điều chế dịng điện qua đèn LED ở một tần số khá cao, chúng
ta có thể thay đổi trạng thái ON-OFF của đèn LED mà khơng làm thay đổi cường độ
sáng. Do đó, mắt của con người không thể cảm nhận được sự thay đổi này.
17

Hình 1.3. Sơ đồ khối của cơng nghệ VLC.
Trong thực tế, chúng ta không thể sử dụng một bộ điều khiển để điều khiển cho
một đèn LED riêng lẻ bởi vì các hệ thống chiếu sáng sử dụng đèn LED thường có số
lượng đèn rất lớn. Do đó, chúng ta cần phải thiết kế một cơ chế điều khiển để có khả
năng điều khiển được tất cả các đèn LED trong hệ thống. Hình 1.4 là sơ đồ khối của
một kịch bản điều khiển chung cho các đèn LED. Với một số lượng lớn các đèn LED,
bộ điều khiển trung tâm vẫn có khả năng điều khiển độ sáng tại bất kỳ một vị trí mong
muốn nào. Đối với các đèn LED được sử dụng đồng thời cho cả hai mục đích chiếu
sáng và truyền thơng thì các tín hiệu điều khiển độ sáng và tín hiệu truyền phải độc lập
và không gây nhiễu lên nhau. Rất nhiều các phương pháp điều khiển độ sáng được
nghiên cứu và đề suất cho đến nay [5, 6]. Điều khiển độ sáng tối của đèn LED dựa trên
điều chế biên độ là giải pháp đơn giản nhất [7]. Tuy nhiên, phương pháp điều chỉnh độ

18


rộng xung là giải pháp tối ưu nhất cho việc điều khiển độ sáng và truyền thơng. Hình
i
nh
truy
1.5 minh họa mơ hình thực t của cơng nghệ VLC trong mơi trường trong nhà.
c tế
ng
nhà

Hình 1.4. Sơ đồ k
khối cho cơ chế điều chỉnh độ sáng của đèn LED.
a

Bảng 1.1 so sánh các đ trưng giữa các công nghệ truyền thông s dụng sóng
đặc
n
sử
vơ tuyến, sóng hồng ngoại và ánh sáng nhìn th
i
thấy. Qua bảng trên chúng ta có thể thấy
ng
th
rằng hệ thống VLC có nhiều ưu đi hơn các hệ thống RF như vừa có kh năng chiếu
u
điểm
a khả
sáng vừa có thể truyền dữ li băng thơng rộng, mức độ bảo mật cao và công suất tiêu
liệu,
thụ thấp. Bên cạnh đó, nó cũng có nh
ũng những hạn chế so với cơng nghệ RF như: khó có th
thể
truyền dữ liệu trong khoảng cách xa, chỉ tối ưu trong mơi trường sóng ánh sáng truy
ng
xa
ng
truyền
thẳng.

19


Hình 1.5: Mơ hình thực tế của cơng nghệ VLC trong môi trường trong nhà [3].
ực t

ng
Bảng 1.1. So sánh những đặ tính của các cơng nghệ truyền thơng VLC, IRB, RFB [2].
ặc
R
Đặc tính
Băng thơng

VLC
Khơng gi hạn
giới
(400 – 700 mm)

IRB
Khơng giới hạn
(800-1600 nm)

RFB
Gi hạn
Giới

Truyền thẳng
Khoảng cách

Có
Ngắn
Ng

Có
Ngắn đến dài
(ngồi trời)

Khơng
Ng đến dài
Ngắn
(ngoài tr
ngoài trời)

Bảo mật

Cao

Cao

Thấp

Tiêu chuẩn

Đang hoàn thiện (tiêu
thi
chuẩn IEEE 802.15.7)

Hoàn thi
thiện

Dịch vụ

Chiếu sáng +
u
Truyền thông
n

Khá đầy đủ cho môi
trường trong nhà, đang
hồn thiện cho mơi
trường ngồi trời
Truyền thơng

Nguồn nhiễu

Ánh sáng mặt trời và
m
các nguồn sáng xung
n
quanh
Khá thấp
th

Ánh sáng mặt trời và
các nguồn sáng xung
quanh
Khá thấp

Tất cả các thiết bị
tc
điện tử

Khả năng
di động

Giới hạn

ih

Giới hạn

Tốt

Vùng phủ

Hẹp và r
p rộng

Hẹp và rộng

Ch yếu rộng
Chủ

Tổn hao
cơng suất

20

Truy thơng
Truyền

Trung bình


1.2.2. Cấu hình đường truyền
Có sáu loại hình đường truyền cho các hệ thống truyền thông sử dụng ánh sáng
trong môi trường trong nhà được phân loại dựa trên hai yếu tố. Yếu tố đầu tiên được

quyết định bởi mức độ định hướng giữa bộ phát và bộ nhận. Mối quan hệ giữa chúng
được phân thành ba loại: trực tiếp, khơng trực tiếp và lai ghép (xem hình 1.6). Đường
truyền trực tiếp giữa bộ phát và bộ nhận có hiệu suất cơng suất nhận được cao nhất bởi
vì suy hao và nhiễu mà nó phải chịu từ các nguồn sáng xung quanh là nhỏ nhất. Đối
với các đường truyền không trực tiếp, các thiết bị di động có thể dễ dàng nhận được tín
hiệu ngay cả khi đang di chuyển nhưng cơng suất tín hiệu nhận được thì khơng cao do
tín hiệu phát bị phân tán và ảnh hưởng các nguồn ánh sáng khác từ mơi trường. Trong
cấu hình lai ghép mức độ định hướng giữa bộ phát và bộ nhận có sự khác biệt, cơng
suất nhận được cao hơn cấu hình phân tán do độ tập trung ánh sáng của bộ phát, nhưng
nhỏ hơn cấu hình định hướng và vẫn bị ảnh hưởng bởi các nguồn ánh sáng khác do độ
mở của bộ nhận lớn [8].

Hình 1.6. Phân loại đường truyền của hệ thống VLC [8].
Yếu tố thứ hai phụ thuộc vào chùm tia sáng có hướng thẳng đến bộ nhận hay
không? Dựa vào yếu tố thứ hai chúng ta có hai loại hình đường truyền khác nhau là
đường truyền thẳng (Light of Sight – LOS) và đường truyền gián tiếp (non Light of
Sight – NLOS). Đối với cấu hình đường truyền LOS, hiệu suất của cơng suất nhận
được là cao nhất và méo đa đường nhỏ nhất. Trong khi đó, cấu hình đường truyền
NLOS lại phù hợp hơn trong các tình huống đặc biệt như có vật cản, người che khuất.
1.2.3. Kênh IM-DD
Trong hệ thống truyền thông vô tuyến, điều chế tín hiệu theo biên độ, pha và
tần số là các phương pháp điều chế được sử dụng nhiều nhất. Cịn trong cơng nghệ
21


truyền thơng sử dụng ánh sáng nhìn thấy, điều chế cường độ (IM – Intensity
Modulation) là phương pháp điều chế phổ biến nhất. Các bộ nhận quang (như PD)
được sử dụng để thu tín hiệu quang trực tiếp (DD – direct detection) và sau đó, sinh ra
một dịng điện tỉ lệ với cơng suất quang tức thời nhận được. Hình 1.7 mơ tả mơ hình
của kênh truyền sử dụng ánh sang nhìn thấy IM/DD [2].

Hình 1.7. Kênh IM/DD trong cơng nghệ VLC [3].
Kênh VLC có thể được mơ hình như một hệ thống tuyến tính trong dải tần cơ
sở với cơng suất đầu vào tức thời X(t), dịng qua bộ nhận quang Ip(t), hệ thống tuyến
tính bất biến có đáp ứng kênh h(t). Trong nhiều ứng dụng của hệ thống VLC, các
nhiễu có phân bố Gauss có ảnh hưởng lên đầu ra của hệ thống. Do đó, kênh IM/DD có
thể biểu diễn như sau:

I p (t )   X (t )  h(t )  N (t )

(1.7)

Trong đó, γ là độ nhạy thu của PD (A/W) và ⊗ biểu thị cho phép tích chập. Do đó,
cơng suất quang truyền trung bình được biểu diễn như sau:
Pt  lim T 

1
2T

T

(1.8)

 X (t ) d (t )

T

1.2.4. Công suất quang nhận
1.2.4.1. Trường hợp ánh sáng chiếu thẳng
Hình 1.8 mơ tả kênh truyền quang không dây trong trường hợp kênh truyền

thẳng. Trong đường truyền quang không dây này, độ lợi DC của kênh truyền được
biểu diễn như sau [4]:

 (m  1) A m
cos ( )Ts ( ) g s ( ) cos( )

2
H d (0)   2 Dd

0


22

, 0   c
,   c

(1.9)


Hình 1.8. Mơ hình truyền nhận ánh sáng trực tiếp (LOS).
Trong đó, A là diện tích bề mặt nhận sáng của một PD; m là hệ số Lambert; Dd là
khoảng cách giữa đèn LED và PD; ψ là góc của ánh sáng tới bề mặt của PD và ϕ là
góc rọi của đèn LED. Ts ( ) là độ lợi của bộ lọc quang. cosm(ϕ) và cos(ψ) lần lượt là
độ nhạy của LED và PD. gs ( ) là độ tập trung ánh sáng [4]:

 n2

g ( )   sin 2 ( c )
 0



,0     c

(1.10)

,   c

Trong đó, n là hệ số khúc xạ; ψc là góc mở tối đa của một PD. Khi đó, cơng suất quang
Pr của kênh truyền VLC được tại PD là:
Pr=Hd(0) Pt

(1.11)

1.2.5. Trường hợp ánh sáng phản xạ
Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét ảnh hưởng của các tia sáng phản xạ đầu
tiên lên tường (xem hình 1.9). Khi đó, cơng suất quang nhận được sẽ là tổng hợp của
công suất trên kênh truyền thẳng và kênh truyền phản xạ:
LEDs

Pr 



 P H
t



d

(0) 


Pt dH ref (0) 
walls




(1.12)

Trong đó, độ lợi DC của kênh truyền trong lần phản xạ đầu tiên được biểu diễn như
sau [4]:

 (m  1) A
 dA wall cos m ( ) cos( )cos(  )Ts ( ) g s ( )cos( ) , 0     c

2
2 D12 D2
H ref (0)  

0
,   c

(1.13)
23