NGHIÊN cứu CÔNG NGHỆ MẠNG KHÔNG dây LIFI và ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO

TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

PHẠM VĂN LONG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ MẠNG KHÔNG DÂY LIFI
VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG


HẢI PHÒNG - 2016

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO

TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

PHẠM VĂN LONG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ MẠNG KHÔNG DÂY LIFI
VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG; MÃ SỐ:

D520207
CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
Người hướng dẫn: Th.S Ngô Xuân Hường


HẢI PHÒNG - 2016


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt những năm học vừa qua em đã được các thầy cô giáo trong
trường đại học Hàng Hải,khoa Điện-Điện Tử và các thầy cô Bộ môn Điện Tử
Viễn Thông nói riêng đã giảng dạy và truyền đạt cho em những kiến thức quý
báu,em xin chân thành cảm ơn thầy cô rất nhiều!
Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo Th.s Ngô Xuân Hường,
thầy đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt quá trình
làm đồ án tốt nghiệp. Trong thời gian làm việc với thầy, em đã được thầy chỉ
bảo tận tình ,hướng dẫn sưu tầm tài liệu,bổ sung nhiều kiến thức bổ ích để xây
dựng nên đồ án tốt nghiệp này, đây là những điều rất cần thiết cho em trong
quá trình học tập và công tác sau này.
Sau cùng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã động
viên, đóng góp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn
thành đồ án tốt nghiệp!

4


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan :
1.Những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng
dẫn của thầy Th.s Ngô Xuân Hường

2.Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng tên tác
giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố.
3.Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôi
xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Sinh viên
Phạm Văn Long

5


MỤC LỤC

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
AB
APD
AWGN
BER
CMOS

Tiếng Anh

Tiếng Việt

Average Brightness
Avalanche Photodiode
Additive White Gaussian Noise
Bit Error Rate
Comlementary Metal-OxideSemiconductor

CPC

Compound Parabolic Concentrator

CS
CSK
DMT
EU

Compensation Symbol
Color Shift Keying
Discrete Multi-tone
European Union
Fraunhofer Insitute of

FIT

Mức sáng trung bình
Diode tách quang thác
Tạp âm Gaussian trắng cộng
Tỉ lệ lỗi bit
Vi mạch tích hợp
Bộ tập trung quang parabol
kết hợp
Ký hiệu dư thừa
Khóa dịch màu
Đa âm rời rạc
Liên minh Châu Âu
Viện truyền thông Fraunhofer

FPS
FOV

Telecommunications
Frame per Second
Field of View

FSO

Free-Space Optical

HD

High-Definition
Intensity Modulation/Direct

không gian tự do
Độ phân giải cao
Điều chế cường độ/tách sóng

Detection
Infrared

trực tiếp
Hồng ngoại

IM/DD
IR

Số khung hình trên giây

Trường nhìn thấy
Truyền dẫn quang trong

6


ISI
JEITA
LED
Li-Fi
LOS
MFTP
MIMO
MLL
NRZ
OFDM

Intersymbol Interference
Japan Electronics and Information

Technology Industries Association và điện tử Nhật Bản
Light Emitting Diode
Diode phát quang
Truyền thông không dây sử
Light Fidelity
dụng ánh sáng nhìn thấy
Line of Sight
Đường nhìn thấy
Maximum Flickering Time Period Thời gian nhấp nháy tối đa
Kỹ thuật truyền dẫn đa thu

Multi-Input Multi-Output
phát
Mesuared Level of Light
Mức ánh sáng đo được
None-Return-to-Zero
Không trở về 0
Orthogonal Frequency-Division
Ghép kênh phân chia theo tần

OOK

Multiplexing
On-Off Keying

PLC

Power Line Communication

PLL
PoE
PPM
PSD
RF
SNR
UV

Perceived Level of Light
Power over Ethernet
Pulse Position Modulation
Power Spectral Density

Radio Frequency
Signal to Noise Ratio
Ultra-Violet

VLC

Visible Light Communication

VPPM
Wi-Fi

Xuyên nhiễu
Hiệp hội công nghệ thông tin

Variable Pulse Position

số trực giao
Khóa bật tắt
Truyền thông bằng đường
điện
Mức độ sáng cảm nhận được
Cấp nguồn qua cáp Ethernet
Điều chế vị trí xung
Mật độ phổ công suất
Sóng vô tuyến
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
Cực tím
Truyền thông bằng ánh sáng
nhìn thấy
Điều chế vị trí xung biến đổi

Modulation

Truyền thông không dây sử

Wireless Fidelity

dụng sóng vô tuyến

7


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Số bảng

Tên bảng

Trang

1.1

Đặc tả các chuẩn truyền thông IEEE 8.2.11x

5

1.2

Đặc tả kỹ thuật của một số chuẩn không dây thế hệ
mới

6

2.1

Chu trình phát triển của công nghệ LIFI được thống kê

11

2.2

Các dải màu trong không gian màu CIE 1931 với tọa

24

2.3

độ màu (x, y)
Các trường hợp kết hợp dải màu hợp lệ

26

2.4

Tọa độ của các điểm ký hiệu với 3 dải màu được chọn

31

2.5

Tốc độ của ba phương pháp điều chế với các loại mã

hóa

33

2.6

Một số loại Diode PIN của hãng HAMAMATSU

40

3.1

Các ứng dụng với môi trường trong nhà

43

3.2

Một vài thông số về hệ thống MIMO của đại học
Oxford (2008)

46

8


DANH MỤC HÌNH VẼ
Số hình

Tên hình

Trang

2.1

Quang phổ ánh sáng nhìn thấy

9

2.2

Dải tần của sóng ánh sáng nhìn thấy

11

2.3

Mô hình thành phần phát trong hệ thống LIFI

13

2.4

Nguyên lý hoạt động của LED.

14

2.5

Hai loại LED phát ánh sáng trắng

15

2.6
2.7
2.8
2.9
.10
2.11
2.12
2.13

Phổ phát xạ của (a) LED đơn chip và (b) LED
RGB
Hàm cơ sở (a) và Không gian tín hiệu OOK (b
Tăng độ sáng bằng cách chèn thêm ký hiệu thừa
CS
Hàm cơ sở của 2-PPM

15
18
19
20

Mô hình VPPM cấu tạo từ 2-PPM với độ sáng
50% (a) và PWM để điều chỉnh độ sáng (b)
Dạng sóng của tín hiệu VPPM với độ rộng xung
75%
Hàm gán màu XYZ

21
22
23

Không gian màu CIE với hai trục xy và 7 dải màu
(000 đến 110

25

2.14

Quá trình điều chế CSK

25

2.15

Không gian ký hiệu 4-CSK

27

2.16

Ánh xạ dữ liệu đối với 4-CSK

27

2.17

. Không gian tín hiệu 8-CSK

28

2.18

Ánh xạ dữ liệu đối với 8-CSK

29

2.19

Không gian ký hiệu 16-CSK

29

2.20

Ánh xạ dữ liệu đối với 16-CSK

30

9


2.21

Khối mã hóa và điều chế VPPM

32

2.22

Mô hình kênh truyền LIFI IM/DD

33

2.23

Minh họa mô hình kết nối Wide-LOS (FOV rộng)

35

2.24

Minh họa mô hình kết nối Narrow-LOS (FOV
hẹp)

35

2.25

Minh họa mô hình kết nối NLOS

35

2.26

Các bước thu tín hiệu LIFI

38

2.27

Cấu trúc Diode PIN

38

2.28

. Cấu trúc Diode thác APD

39

2.29

Chip cảm biến hình ảnh CMOS

41

2.30

Bộ tập trung quang CPC

41

2.31

Quá trình phản xạ tại CPC

41

3.1

Mô hình các thiết bị đầu cuối với môi trường trong
nhà

43

3.2

Mô hình truyền dẫn với môi trường ngoài trời

44

3.3

Mô hình dự án OMEGA

44

3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10

Mô hình hệ thống truyền dẫn LIFI của viện truyền
thông Fraunhofer

Mô hình hệ thống truyền dẫn MIMO của đại học
Oxford (2008)
Mô hình truyền dẫn của đại học Nagoya
Camera thu gắn trong xe (a) và Bảng LED phát
(16x16)
Xác định vị trí nguồn phát (a) và Cắt bỏ hình ảnh
thừa (b)
Xác định vị trí nguồn phát (a) và Cắt bỏ hình ảnh
thừa (b)
Sơ đồ bố trí đèn (a) và tốc độ di chuyển trong siêu

10

45
46
47
47
48
49
49


thị (b)
3.11

Giao diện của ứng dụng Picapicamera

50

3.12

Quá trình gửi tin nhắn

52

3.13

Quá trình nhận tin nhắn

52

11


LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, mạng truyền thông không dây vẫn chỉ sử dụng sóng vô tuyến
làm phương tiện truyền dẫn chính. Mặc dù đang rất phát triển với tốc độ ngày
càng tăng nhưng công nghệ này cũng có một số hạn chế như băng thông sẽ tới
lúc cạn kiệt (do nhu cầu sử dụng tăng rất nhanh), hạn chế khi sử dụng trong
một số môi trường như bệnh viện (dễ ảnh hưởng tới độ chính xác và chế độ
hoạt động của các thiết bị y tế), và không thể sử dụng gần khu vực không lưu
của sân bay do đặc tính của sóng vô tuyến có thể gây nhiễu lên điều hành máy
bay… Mặt khác, sự phát triển mạnh mẽ của Diode phát quang (Light Emitting
Diode – LED) với nhiều ưu điểm như hiệu quả chiếu sáng cao, tiết kiệm điện
năng sẽ giúp hiện thực hóa các ý tưởng sử dụng ánh sáng nhìn thấy để truyền
dẫn thông tin.
Công nghệ mạng không dây LiFi được xem như là một lời giải cho bài
toán về băng thông cũng như các nhược điểm khác của công nghệ truyền
thông sử dụng sóng vô tuyến với băng thông sử dụng gần như không giới hạn,
không gây xuyên nhiễu nên có thể sử dụng ở các môi trường bệnh viện, sân

bay. Đặc biệt hơn nữa chúng ta có thể xây dựng hạ tầng vừa dùng để chiếu
sáng vừa dùng để truyền thông sử dụng nguồn phát ánh sáng là các bóng đèn
LED.
Vì vậy, em đã chọn lựa đề tài đồ án tốt nghiệp là “Nghiên cứu công
nghệ không dây LiFi và đánh giá khả năng ứng dụng”.
Nội dung đồ án bao gồm ba phần chính sau:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng không dây
Chương 2: Nghiên cứu công nghệ mạng không dây LiFi
Chương 3: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ truyền thông không dây LiFi
Do thời gian và hiểu biết còn hạn chế nên chắc chắn đồ án không tránh
khỏi rất nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự chỉ dẫn của các thầy cô
giáo và ý kiến góp ý của các bạn độc giả để đồ án được hoàn thiện hơn.
12


CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠNG KHÔNG DÂY
1.1.Lịch sử hình thành và phát triển công nghệ mạng không dây.
Trong những năm gần đây với sự phát triển vượt bậc về khoa học công
nghệ trên thế giới,con người đã tạo ra hàng loạt những sản phẩm công nghệ
ứng dụng thiết thực trong đời sống thường ngày như điện thoại thông
minh,máy tính xách tay, đồng hồ thông minh,máy tính bảng camera thông
minh,các thiết bị điện tử thông minh đáp ứng đầy đủ mọi nhu cầu sử dụng của
con người trong xã hội.
Với sự phát triển mạnh mẽ này cũng kéo theo nhu cầu trao đổi thông
tin giữa các thiết bị trong quá trình làm việc dẫn đến hình thành một mạng kết
nối không dây mới với cái tên WLAN.
WLAN mang lại kết nối giữa các thiết bị trong phạm vi hẹp như trường
học,bệnh viện tòa nhà vì là kết nối không dây nên nó rất tiện lợi trong quá
trình triển khai hạ tầng mạng bổ sung cho kết nối mạng có dây.
Việc sử dụng sóng điện từ hoặc sóng hồng ngoại trong môi trường tự

do để truyền dẫn dữ liệu xuyên các vật cản như tường nhà và các cấu trúc vật
thể khác mà không cần sử dụng cáp là một thế mạnh lớn của WLAN.
Trên thế giới ngày nay, mạng WLAN được ứng dụng rộng rãi trên tất
cả các quốc gia. Với thế mạnh ưu việt như: cài đặt đơn giản,dễ sử dụng,dễ cấu
hình không đòi hỏi yêu cầu về cơ sở hạ tầng giống như các mạng LAN truyền
thống, đáp ứng yêu cầu thẩm mỹ khi không sử dụng dây để kết nối,WLAN
ngày càng phát triển và đang dần thay thế cho các kết nối có dây trong nhiều
lĩnh vực khác nhau.
Công nghệ mạng không dây được giới thiệu lần đầu vào năm 1990 hoạt
động trêndải tần 900MHz,tốc độ truyền dữ liệu là 1Mbps.
•

Năm 1992, xuất hiện những mạng không dây sử dụng băng tần 2.4GHz. Mặc
dù đã có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn nhưng chúng vẫn là những giải pháp
riêng của mỗi nhà sản xuất và không được công bố rộng rãi. Sự cần thiết cho

13


việc hoạt động thống nhất giữa các thiết bị ở những tần số khác nhau dẫn đến
một số tổ chức bắt đầu phát triền ra những chuẩn mạng không dây chung.
•

Năm 1997, IEEE đã phê chuẩn sự ra đời của chuẩn 802.11 áp dụng cho các
mạng không dây. Chuẩn 802.11 hỗ trợ ba phương pháp truyền tín hiệu, trong
đó bao gồm cả phương pháp truyền tải tín hiệu radio ở dải tần số 2.4GHz.

•

Năm 1999, IEEE áp dụng thêm hai sự bổ sung cho chuẩn 802.11 là các chuẩn

802.11b và 802.11a. Và các thiết bị mạng không dây dựa trên chuẩn 802.11b
đã nhanh chóng trở thành công nghệ không dây vượt trội. Các thiết bị phát
trên tần số 2.4GHz, cung cấp tốc độ truyền dữ liệu 11Mbps.

•

Năm 2003, IEEE công bố thêm một sự cái tiến là chuẩn 802.11g có thể nhận
thông tin trên cả hay dãy tần 2.4GHz và 5GHz và nâng tốc độ truyền dự liệu
nên đến 54Mbps. Đây là chuẩn được sử dụng rộng rãi vào thời điểm hiện tại

•

Ngoài ra IEEE còn thông qua chuẩn 802.11n nâng tốc độ truyền dữ liệu từ
100-600Mbps vào tháng 9/2009 sau 7 năm nghiên cứu và phát triển.
1.2. Phân loại mạng không dây WLAN.
Mạng không dây WLAN phân thành mạng WLAN hồng ngoại và
WLAN vô tuyến và một công nghệ WLAN mớiđang trong quá trình hoàn
thiện nó sử dụng ánh sáng nhìn thấy(LiFi). WLAN vô tuyến có thể dựa trên
quá trình truyền dẫn băng hẹp hay truyền dẫn trải phổtrong khi đó đối với các
WLAN hồng ngoại có thể là khuyếch tán hay được định hướng. WLAN LiFi
truyền dẫn định hướng.
1.2.1 Các WLAN vô tuyến.
Hệ thống WLAN chủ yếu áp dụng công nghệ trải phổ. Công nghệ trải
phổđáp ứng quá trình truyền thông tin cậy và an toàn. Trải phổđề cập đến các
sơ đồ tín hiệu dựa trên một số dạng mã hoá (độc lập với thông tin được phát
đi) đểtruyền tín hiệu,chúng sử dụng băng thông lớn hơn nhiều so với yêu cầu.
Băng thông lớn hơn có nghĩa là nhiễu và các hiệu ứng fading đa đường chỉảnh
hưởng một phần đến quá trình truyền dẫn trải phổ. Vì vậy mà năng lượng tín
hiệu thu hầu như không đổi theo thời gian. Điều này cho phép tách sóng
14

dễdàng khi máy thu được đồng bộ với các tham số của tín hiệu trải phổ. Các
tín hiệu trải phổ có khảnăng hạn chế nhiễu và gây khó khăn cho quá trình phát
hiện và chặn tín hiệu trên đường truyền. Có hai kỹ thuật trải phổ: Trải phổ
chuỗi trực tiếp (DSSS) và trải phổ nhảy tần (FHSS).
1.2.2 Các WLAN hồng ngoại.
Hệ thống này sử dụng sóng hồng ngoại để truyền dữ liệu cho truyền dẫn
vô tuyến. Tia hồng ngoại có băng thông không cấp phép rất dồi dào, nó loại
bỏ được nhiễu vô tuyến, các thiết bị hồng ngoại nhỏ và tiêu thụ ít công suất.
Không giống như các sóng vô tuyến, các tần số hồng ngoại là quá cao để
thực hiện điều chế giống như đối với các tần số vô tuyến. Vì vậy, các đường
truyền hồng ngoại thường dựa trên cơ sở điều chế xung bật- tắt và tách sóng
tín hiệu quang. Quá trình truyền dẫn xung bật- tắt được thực hiện bằng cách
biến đổi cường độ (biên độ) dòng điện trong máy phát hồng ngoại như là laser
diode hay diode phát quang chẳng hạn. Theo cách này, dữ liệu được mang đi
bởi cường độ (chứ không phải là pha hay tần số) của sóng ánh sáng. Các hệ
thống hồng ngoại sử dụng hai thành phần vật lý khác nhau (các bộ phát và các
bộ tách) để phát và thu tín hiệu sóng quang. Điều này trái ngược với các hệ
thống vô tuyến vì ở đó sử dụng một anten chung để phát và thu tín hiệu.
1.2.3 WLAN dùng ánh sáng nhìn thấy LiFi.
LiFi là một công nghệ mạng quang học không dây sử dụng điốt phát
sáng (light-emitting diodes - LED) để truyền dữ liệu .
LiFi được thiết kế sử dụng các bóng đèn LED tương tự với các bóng đèn
đang được dùng tại các hộ gia đình hoặc văn phòng tiết kiệm năng lượng. Tuy
nhiên, bóng đèn LiFi được trang bị 1 con chip dùng để điều biến ánh sáng để
truyền dữ liệu quang học. Dữ liệu LiFi được truyền đi bởi các bóng đèn và
nhận bởi các thiết bị thụ quang.

15

1.3 Các tiêu chuẩn mạng không dây WLAN
1.3.1 Các Chuẩn WLAN phổ biến.
Các chuẩn

802.11a

Năm phê

Tháng

chuẩn
Tốc độ tối đa
Khoảng cách

7/1999
54Mbps

tối đa
Kỹ thuật điều
chế
Dải tần số
trung tần (RF)
Chuỗi dữ liệu
Độ rộng băng
thông

802.11b

Tháng

(draft 2.0)
Tháng

11Mbps

6/2003
54Mbps

6/2007
300Mbps

100m

100m

150m

DSSS hay

DSSS hay

CCK hay

CCK hay

OFDM

OFDM

2,4GHz hay

Tháng 7/1999

100m

DSSS hay

OFDM

802.11n

802.11g

CCK

5GHz

2,4GHZ

2,4GHZ

1

1

1

20MHz

20MHz

20MHz

3

3

23

5GHz
1, 2, 3 hay 4
20MHz hay
40MHz

Số kênh
không chồng

3 (2,4GHz)
23 (5GHz)

lấn nhau
Bluetooth,
Nguồn can
nhiễu

lò vi sóng,
thiết bị
quan sát bé
từ xa...

Tương tự

Bluetooth, lò

802.11b/g

vi sóng, thiết bị

Điện thoại

quan sát bé từ

mẹ bồng con

xa...

(2,4GHz)Tươ
ng tự 802.11a
(5GHz)

Bảng 1.1.. Đặc tả các chuẩn truyền thông IEEE 8.2.11x
1.3.2 Một số chuẩn truyền thông không dây thế hệ mới.
Bảng 1.2. Đặc tả kỹ thuật của một số chuẩn không dây thế hệ mới
802.

Phê

Giải

Băng thông

16

Tốc độ

Số

Điều


tần
11xx

duyệt

(GHz

n

2009

)
2.4/5

ac

2014

5

ad

2012
Dự kiến

60

ah
aj
ax

2016
Dự kiến
2016
Dự kiến
2019

(MHz)
20/40
20/40/80/16
0
2x160

min/max

luồng

Mbit/s

MIMO

7.2/150

4

OFDM

7.2/900

8

OFDM

Đến 7000

-

OFDM

chế

0.9
45/60
2.4/5

1.4 Ứng dụng và ưu nhựơc điểm của mạng không dây WLAN
1.4.1 Ứng dụng của Wlan
•

Truy cập mạng WLAN:WLAN được thiết kế với vai trò của lớp truy cập, có
nghĩa là chúng được sử dụng như là một điểm để đi vào mạng có dây.

•

WLAN giúp mở rộng mạng: Mạng không dây có thể được sử dụng để mở
rộng mạng có dây. Có nhiều trường hợp trong đó việc mở rộng mạng yêu cầu
phải cài đặt thêm cáp, nhưng việc cài đặt thêm cáp là không thể (về chi phí,
giới hạn 100m của cáp,…) hay bị cấm .

•

WLAN giúp kết nối giữa các tòa nhà: Trong môi trường campus hay môi
trường chỉ có 2 tòa nhà gần nhau thì các người sử dụng ở các tòa nhà sẽ có
nhu cầu kết nối mạng với nhau.

•

WLAN giúp phân phối dữ liệu đoạn cuối:Các nhà cung cấp dịch vụ internet
không dây đã tận dụng những lợi thế trong công nghệ không dây để đưa ra
dịch vụ phân phối dữ liệu đoạn cuối đến các khách hàng của họ.
17


•

WLAN giúp tính di động tăng cao:WLAN không thể thay thế mạng LAN có
dây về tốc độ kết nối nhưng ưu thế của WLAN chính là tính di động của nó.

•

Ứng dụng WLAN cho SOHO: Trong môi trường gia đình hay văn phòng nhỏ
SOHO thì thường có nhiều máy tính, tuy nhiên họ vẫn cần nhu cầu kết nối
mạng để có thể chia sẻ dữ liệu, máy in, internet,… để tăng năng suất cũng như
hiệu quả làm việc.

•

WLAN là giải pháp cho văn phòng di động: Các văn phòng hay lớp học di
động cho phép người sử dụng rất linh hoạt trong việc kết nối máy tính của họ
ở những vị trí khác nhau. Nếu như lớp học quá đông thì trường học có thể sử
dụng các lớp học di động. Để có thể mở rộng mạng máy tính đến các tòa nhà
tạm thời như vậy thì việc sử dụng cáp sẽ mất thời gian cũng như tiền bạc. Các
kết nối WLAN tư văn phòng chính của trường đến các lớp học di động cho
phép cấu hình rất linh hoạt và chi phí thấp.
1.4.2 Ưu nhược điểm của mạng không dây WLAN
a.Ưu điểm của mạng WLAN:
-Sự tiện lợi: mạng không dây cung cấp giải pháp cho phép người sử dụng
truy cập tài nguyên trên mạng bất kì nơi đâu trong khu vực wlan được triển
khai.
-Khả năng di động: với sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của viễn thông di
động, người sử dụng có thể truy cập internet ở bất cứ đâu.
-Hiệu quả: người sử dụng có thể duy trì kết nối mạng khi họ đi từ nơi
này đến nơi khác
-Triển khai: chúng ta chỉ cần một đường truyền ADSL và một AP là
được một mạng Wlan đơn giản.
-Khả năng mở rộng: mở rộng dễ dàng có thể đáp ứng tức thì khi có sự
gia tăng lớn về số lượng người truy cập.

18

b.Nhược điểm của mạng Wlan:
-Bảo mật: đây có thể nói là nhược điểm lớn nhât của mạng Wlan, bởi vì
phương tiện truyền tín hiệu là song và môi trường truyền tín hiệu là không khí
nên khả năng của một mạng không dây bị tấn công là rất lớn.
-Phạm vi: như ta đã biết IEEE 802 11n mới nhất hiện nay cũng chỉ có thể
hoạt động ở phạm vi tối đa là 150m, nên mạng không dây chỉ phù hợp cho
một không gian hẹp.
-Độ tin cậy: do phương tiện truyền tín hiệu là sóng vô tuyến nên việc bị
nhiễu, suy giảm …là điều không thể tránh khỏi.Điều này gây ảnh hưởng lớn
đến hiệu quả hoạt động của mạng.
-Tốc độ: tốc độ cao nhất hiện nay của Wlan có thể lên đến 600Mbps
nhưng vẫn chậm hơn rất nhiều so với các mạng cáp thông thường.

19


CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ MẠNG KHÔNG DÂY
LIFI
2.1 Khái niệm vềLiFi và Lịch sử hình thành phát triển.
2.1.1 Khái Niệmvề LiFi
LIFI (LIFI) – Truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy sử dụng phần ánh
sáng nhìn thấy được để truyền thông tin, để so sánh thì LIFI gần giống công
nghệ truyền thông không dây (ví dụ như Wi-Fi) sử dụng các tín hiệu sóng
điện từ (Radio Frequency – RF) để truyền dữ liệu.
Ánh sáng nhìn thấy được (Visible Light) là dạng sóng với các bước sóng
nằm trong khoảng mắt người có thể nhận biết được. Các bước sóng này nằm
trong khoảng từ 380nm đến 750nm. Hình 2.1 dưới đây cho ta thấy các bước
sóng ánh sáng được gắn với tông màu mà mắt thường có thể nhìn thấy.

Hình 2.1 Quang phổ ánh sáng nhìn thấy
Với LIFI, dữ liệu được truyền đi bằng cách điều chế cường độ của ánh
sáng nhưng không để cho mắt người bình thường nhận biết được sự thay đổi
này. Ánh sáng mang theo dữ liệu khi đến phía thu sẽ được nhận bởi Photosensitive Detector (PD) hoặc chip cảm biến hình ảnh (CMOS) giải điều chế
chuyển đổi từ tín hiệu quang thành tín hiệu điện.
LIFI chính là một nhánh trong công nghệ truyền thông không dây
quang (Optical Wireless Communications – OWC). OWC sử dụng cả tia hồng
ngoại (infra-red) và tia cực tím (ultra-violet) để truyền thông tin tương tự như
ánh sáng nhìn thấy. Tuy nhiên, chính việc sử dụng năng lượng vừa dùng để
chiếu sáng vừa để truyền thông tin đã khiến cho công nghệ LIFI trở nên ưu tú
hơn

cả.

20


Chu trình phát triển của công nghệ LIFI được thống kê trong bảng 2.1.
Thời gian
2004

2005

Sự kiện
Công bố hệ thống LED truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao
đến thiết bị di động cầm tay tại Nhật Bản.
Thử nghiệm thực tế hệ thống truyền dẫn VLC tới điện
thoại di động với tốc độ 10kb/s và ~Mb/s sử dụng đèn
huỳnh quang và LED tại Nhật Bản.

Thực hiện truyền dẫn VLC từ màn hình LCD sử dụng

2007

đèn nền LED tới thiết bị cầm tay, hãng tivi Fuji, Nhật
Bản.
Hiệp hội VLC (VLCC) tại Nhật Bản đưa ra hai chuẩn:
Tiêu chuẩn cho hệ thống định danh sử dụng ánh sáng và

2007

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 hai văn bản JEITA CP-1221
và JEITA CP-1222.
Phát triển các tiêu chuẩn toàn cầu cho mạng gia đình sử
dụng ánh sáng và hồng ngoại để truyền dẫn thông qua

2008

dự án OMEGA của EU.
Thực hiện truyền dẫn sử dụng 5 đèn LED với tốc độ

2009
2010
2010

~100Mb/s.
VLCC đã ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật đầu tiên của họ
trong đó xác định phổ tần sử dụng trong VLC.

Phát triển công nghệ VLC cho các thiết bị điện tử như
TV, PC, điện thoại di động ở đại học California, USA.
Công bố hệ thống định vị toàn cầu GPS với môi trường
trong nhà tại Nhật Bản.
Truyền dẫn với hệ thống VLC đạt tốc độ 500 Mb/s với

2010

khoảng cách 5m, thực hiện bởi Siemen và Viện

2010

Heinrich Hertz, Đức.
Phát triển tiêu chuẩn cho các công nghệ sử dụng VLC

21


bởi IEEE.
Trình diễn hệ thống truyền dẫn VLC-OFDM với tốc độ
2011

124Mb/s, sử dụng LED trắng phủ phosphor, đại học

Edinburgh, Anh.
Bảng 2.1. Chu trình phát triển của công nghệ LIFI được thống kê
Công nghệ LIFI rất phù hợp cho các ứng dụng cung cấp nội dung phổ
biến trên internet như các ứng dụng download video, audio hay duyệt web.
Các ứng dụng này phần lớn phụ thuộc nhiều vào băng thông của đường xuống
(downlink) nhưng lại chỉ yêu cầu băng thông đường lên nhỏ. Theo cách này,

chúng ta có thể giải quyết vấn đề quá tải trong việc sử dụng các kênh vô tuyến
và mở rộng dung lượng của Wi-Fi.
2.2 Ưu điểm của công nghệ LiFi (Light Fidelity).
Như chúng ta đã biết, phổ tần của sóng vô tuyến (Radio Frequency –
RF) đang ngày càng cạn kiệt và cơ hội mở rộng rất hạn chế. Thêm vào đó, có
rất nhiều yếu tố về an toàn và sức khỏe cần phải xem xét khi sử dụng sóng vô
tuyến. Do đó, công nghệ LIFI có rất nhiều ưu điểm vượt trội so với công nghệ
sử dụng sóng vô tuyến RF.
2.2.1.Dung lượng.

Hình 2.2 Dải tần của sóng ánh sáng nhìn thấy
•

Băng thông lớn – Phổ tần của sóng ánh sáng nhìn thấy ước tính lớn gấp
10,000 lần so với phổ sóng vô tuyến và hoàn toàn miễn phí khi sử dụng.

•

Mật độ dữ liệu – Công nghệ LIFI có thể đạt được mật độ dữ liệu gấp 1000 lần
so với Wi-Fi bởi vì ánh sáng nhìn thấy không xuyên qua vật cản nên chỉ tập
trung trong một không gian trong khi sóng vô tuyến có xu hướng thoát ra và
gây xuyên nhiễu.

22


•

Tốc độ cao – Công nghệ LIFI có thể đạt được tốc độ cao nhờ vào nhiễu thấp,
băng thông lớn và cường độ chiếu sáng lớn ở đầu ra.

•

Quản lý – Việc quản lý trở nên khá dễ dàng do không gian chiếu sáng chọn
lựa để truyền thông và tín hiệu ánh sáng có thể quan sát được trong khi sóng
vô tuyến không thể quan sát khiến cho việc quản lý trở nên phức tạp hơn
nhiều.
2.2.2. Hiệu năng.

•

Chi phí thấp – Công nghệ LIFI yêu cầu ít thành phần hơn so với công nghệ sử
dụng sóng điện từ.

•

Sử dụng đèn LED để chiếu sáng thực sự rất hiệu quả (bóng đèn LED hiện nay
tiết kiệm hơn 50% điện năng so với bóng thông thường) và năng lượng dùng
cho truyền dẫn dữ liệu là không đáng kể.

•

Truyền thông dưới nước – Việc truyền thông dưới nước với sóng vô tuyến rất
khó khăn nhưng LIFI có thể hoạt động tốt ở môi trường này
2.2.3. An toàn.

•

An toàn – Không cần phải xem xét bất cứ vấn đề nào về an toàn hay sức khỏe
khi sử dụng công nghệ này.

•

Không gây ảnh hưởng nguy hiểm – Việc truyền dẫn bằng sóng ánh sáng nhìn
thấy sẽ tránh được các nguy cơ gây nguy hiểm đến một số môi trường khác
(bệnh viện, máy bay …) hay tia lửa điện bắt nguồn từ hệ thống antenna thu
phát sóng điện từ.
2.2.4. Bảo mật.

•

Ngăn chặn – Đối với môi trường trong nhà (indoor), sẽ rất khó để có thể thu
thập hay do thám các tín hiệu LIFI do sóng ánh sáng không xuyên qua vật cản
và chỉ tập trung trong khu vực cần thiết.

•

Điều khiển – Dữ liệu sẽ được chuyển trực tiếp từ một thiết bị sang thiết bị
khác và người sử dụng hoàn toàn có thể nhìn thấy và biết được dữ liệu của
mình đang được chuyển đi đâu, do vậy không cần thiết phải có các phương án
bảo mật liên kết nào khác như khi truyền thông với sóng điện từ.
23


2.3.

Hệ thống phát được sử dụng trong công nghệ mạng không dây

LIFI.
2.3.1 Mô hình thành phần phát.

Mô hình thành phần phát sử dụng LED làm nguồn sáng như sau:

Hình 2.3.Mô hình thành phần phát trong hệ thống LIFI
2.3.2. LED.
Với công nghệ ngày càng phát triển, LED đang được mong đợi như là
một thế hệ thiết bị chiếu sáng tiếp theo, thay thế cho các loại đèn huỳnh quang
(Flourescents Light) hiện tại do các lý do như giá thành rẻ, hiệu năng chiếu
sáng cao, tiết kiệm điện, tuổi thọ lâu dài. Chính vì vậy, chúng ta sẽ sử dụng
LED làm nguồn sáng dùng để thông tin trong hệ thống LIFI. Công suất chiếu
sáng tối thiểu của LED cho một văn phòng là từ 200 – 1000 (lux).
(Lux, (kí hiệu là lx) là một đơn vị đo cường độ chiếu sáng có thể cảm nhận
bởi mắt người thông qua một đơn vị diện tích.)
Nguyên lý hoạt động cơ bản của LED như sau:
Khi phân cực thuận cho LED sẽ có dòng bơm qua LED làm cho các điện tử
đang ở vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn. Đây là hiện tượng đảo mật độ do ở
điều kiện bình thường, nồng độ điện tử ở vùng hóa trị sẽ rất lớn so với nồng
độ điện tử ở vùng dẫn nhưng khi được kích thích, các điện tử nhảy mức năng
lượng làm cho nồng độ điện tử ở vùng dẫn lớn hơn so với nồng độ điện tử ở
vùng hóa trị. Đồng thời, dưới tác dụng của điện trường phân cực thuận, các
điện tử từ lớp N sẽ được khuếch tán sang lớp tích cực và các lỗ trống ở lớp P
cũng được khuếch tán sang lớp tích cực. Tại đây, các cặp điện tử và lỗ trống
sẽ tái hợp (re-combine) và phát xạ ra photon ánh sáng. Hiện tượng phát xạ ở

24


đây chủ yếu là hiện tượng phát xạ tự phát. Hiện tượng này được mô tả như
hình 2.4 dưới đây:

Bán dẫn loại p

Bán dẫn loại n

Điện tử
Dải dẫn
Lỗ trống

Dải cấm

Photon
ánh sáng

Dải hóa trị

Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động của LED.
Với mục đích kết hợp để chiếu sáng, loại LED được sử dụng trong LIFI
sẽ là LED đơn sắc (một trong ba màu RGB) và LED phát ánh sáng trắng
(White LED). Có hai cách thông dụng để tạo ra ánh sáng trắng tương ứng với
hai loại LED khác nhau: loại thứ nhất sử dụng một chip bán dẫn xanh (blue)
và sau đó được phủ thêm một lớp phosphor bên ngoài hay còn được gọi tên là
“LED màu trắng đơn chip”. Khi dòng điện được cung cấp cho chip LED màu
xanh, chip này sẽ phát ra ánh sáng xanh, phosphor sau đó được kích thích bởi
màu xanh và sẽ phát ra huỳnh quang màu vàng. Sự kết hợp hai loại màu này
sẽ tạo ra ánh sáng trắng. Loại thứ hai là LED cấu tạo với ba chip màu riêng
biệt R (~625nm), G (~525nm), B (~470nm), (Red Green Blue). Sau đó ba
màu này sẽ được trộn lại với nhau để tạo ra ánh sáng trắng.

25