Nghiên cứu về công nghệ truyền dẫn thông tin trong dải ánh sáng nhìn thấy VLC và các ứng dụng trong giao thông thông minh

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và đƣợc sự
hƣớng dẫn khoa học của TS. Hà Duyên Trung. Các nội dung nghiên cứu, kết quả
trong đề tài này là trung thực và chƣa công bố dƣới bất kỳ hình thức nào trƣớc đây.
Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá
đƣợc chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu
tham khảo.
Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng nhƣ số
liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn
gốc.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về
nội dung luận văn của mình.
Ngƣời viết luận văn

Nguyễn Yến Chi

1


KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN

1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

6

DANH MỤC CÁC BẢNG

7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

8

MỞ ĐẦU

10

CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG BẰNG ÁNH
SÁNG NHÌN THẤY

12

1.1 Giới thiệu .......................................................................................................12
1.2 Lịch sử phát triển của công nghệ VLC .........................................................12
1.3 Đặc điểm của công nghệ VLC ......................................................................16
1.3.1

Dung lƣợng ...........................................................................................16

1.3.2

Hiệu năng ..............................................................................................16

1.3.3

An toàn ..................................................................................................17

1.3.4

Bảo mật .................................................................................................17

1.4 Các ứng dụng của công nghệ VLC ...............................................................18
1.4.1

Hàng không ...........................................................................................18

1.4.2

Chiếu sáng thông minh .........................................................................19

1.4.3

Các môi trƣờng nguy hiểm ...................................................................19

1.4.4

Kết nối thiết bị ......................................................................................19

1.4.5

Các phƣơng tiện và giao thông .............................................................19

1.4.6

Quân đội và bảo mật .............................................................................20

1.4.7

Thông tin dƣới nƣớc .............................................................................20

1.4.8

Y tế ........................................................................................................20

1.5 Các thành phần trong hệ thống VLC ............................................................21
1.5.1

Phía phát ...............................................................................................21

1.5.1.1

Cấu trúc của phía phát ....................................................................21

1.5.1.2

Hoạt động của LED........................................................................22

2

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

1.5.1.3

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Phân loại LED ................................................................................23

1.5.2

Kênh truyền...........................................................................................26

1.5.3

Phía thu .................................................................................................27

1.5.3.1

Diode tách quang ...........................................................................28

1.5.3.2

Chip cảm biến hình ảnh (Image Sensor – IS) ................................30

1.5.3.3

Bộ tập trung quang .........................................................................31

1.5.3.4

Bộ lọc quang ..................................................................................32

Điều chế trong VLC ..............................................................................32

1.5.4

1.5.4.1

Giới thiệu .......................................................................................32

1.5.4.2

Cơ chế điều chế khóa đóng mở (OOK). ........................................33

1.6 Ứng dụng của VLC trong hệ thống giao thông thông minh .........................37
1.7 Kết luận chƣơng ............................................................................................38
CHƢƠNG 2 - HỆ THỐNG GIAO THÔNG THÔNG MINH ỨNG DỤNG CÔNG
NGHỆ VLC

39

2.1 Giới thiệu .......................................................................................................39
2.1

Giới thiệu hệ thống giao thông thông minh (ITS)....................................39

2.1.1

Sự cần thiết của hệ thống giao thông thông minh ................................39

2.1.2

Đặc tính quan trọng của hệ thống giao thông thông minh ....................39

2.1.2.1

Tính toán tự động ...........................................................................39

2.1.2.2

Kiến trúc phân tán ..........................................................................40

2.2 Truyền thông trong mạng lƣới các phƣơng tiện............................................40
2.3 Kiến trúc của ITS và các phƣơng tiện truyền thông .....................................43
2.3.1

Kiến trúc ITS ........................................................................................43

2.3.2

Kiến trúc truyền thông của ITS ............................................................45

2.3.3

So sánh giữa hệ thống VLC và hệ thống vô tuyến ...............................46

2.4 Hệ thống VLC ứng dụng trong ITS ..............................................................47
2.4.1 Kịch bản thứ nhất ..............................................................................47
2.4.2 Kịch bản thứ hai ................................................................................48
2.5 Kiến trúc hệ thống VLC ứng dụng trong hệ thống ITS. ...............................49

3


KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

2.5.1

Phía phát VLC trong ITS ......................................................................49

2.5.2

Phía thu VLC trong ITS ........................................................................50

2.5.3

Kênh truyền VLC trong hệ thống ITS ..................................................51

2.6 Kết luận chƣơng. ...........................................................................................53
CHƢƠNG 3 - MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT VÀ ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN CỦA
HỆ THỐNG VLC ỨNG DỤNG TRONG ITS

54

3.1 Giới thiệu .......................................................................................................54
3.2 Phân tích đặc tính thành phần phát trong hệ thống VLC ứng dụng cho hệ
thống ITS ...............................................................................................................55
3.2.1

Đặc điểm thiết bị phát của hệ thống ITS ứng dụng công nghệ VLC ...55

3.2.2

So sánh LED cho chiếu sáng đèn đƣờng và cho đèn tín hiệu giao thông
55

3.2.3

Các LED chiếu sáng đƣờng ..................................................................55

3.2.3.1

Mô hình LED chiếu sáng đèn đƣờng .............................................56

3.2.3.2

Tầm nhìn xa (visibility) của con ngƣời. .........................................57

3.2.3.3

Cƣờng độ chiếu sáng, sự đồng nhất và phân bố ............................58

3.2.3.4
LED

Yêu cầu về cƣờng độ chiếu sáng cho các đèn giao thông dựa trên
61

3.2.4

LED cho đèn tín hiệu giao thông ..........................................................62

3.2.4.1

Nguồn điểm LED (LED point source) ...........................................63

3.2.4.2

Mô hình nguồn phát đèn tín hiệu giao thông dựa trên LED. .........65

3.2.4.3

Phân loại ma trận LED cho nguồn phát VLC ................................68

3.2.4.4

Mô hình nguồn phát VLC đèn tín hiệu giao thông dựa trên LED. 70

3.3 Mô hình kênh ................................................................................................72
3.4 Kết luận chƣơng ............................................................................................76
CHƢƠNG 4 - MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

77

4.1 Mô hình mô phỏng ........................................................................................77
4.1.1

Mô tả hệ thống ......................................................................................77

4.1.2

Mô phỏng độ lợi lan truyền quang........................................................79

4.1.3

Mô phỏng tỷ số SNR dƣới tác động của nhiễu .....................................81

4


KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

4.2 Kết quả mô phỏng và phân tích. ...................................................................83
4.2.1

Phân bố công suất ở phía thu ................................................................83

4.2.2

Đánh giá chất lƣợng của hệ thống qua tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR ..84

4.3 Kết luận chƣơng. ...........................................................................................88
TÀI LIỆU THAM KHẢO

91

5


KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BER

Bit error rate

Bps

Bit trên giây

ETSI

European Telecommunications Standard Institute

FOV

Field of View

IM/DD

Intensity Modulation/ Direct Detection

ISI

Intersymbol Interference

ITS

Intelligent Transport System

LDT

Luminance Difference Threshold

LED

Light emmiting diode

LOS

Light of Sight

NLOS

None Light of Sight

OLED

Organic Light emmiting diode

OOK

On Off Keying

PPM

Pulse Position Modulation

PSD

Power Spectral Density

RGB

Red Green Blue

SNR

Signal to Noise Ratio

VLC

Visible light communication

V2V

Vehicle to vehicle

6


KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Lịch sử phát triển của VLC .......................................................................16
Bảng 1.2 So sánh các tham số của VLC, IRB và FRB ............................................18
Bảng 2.1 Các dịch vụ của ITS ...................................................................................43
Bảng 3.1 Giá trị của I 2.5,0 ................................................................................62
Bảng 3.2 So sánh các loại LED .................................................................................66
Bảng 4.1 Tham số mô phỏng ....................................................................................78
Bảng 4.2 Các đặc tính của đèn giao thông dựa trên LED và PD tốc độ cao. ...........81
Bảng 4.3 Các tham số cho tính toán SNR .................................................................82

7


KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Dải phổ ánh sáng nhìn thấy ........................................................................12
Hình 1.2 VLC ở trong một khoang của máy bay ......................................................19
Hình 1.3 VLC trong truyền thông dƣới nƣớc ...........................................................20
Hình 1.4 Các thiết bị y tế nhạy cảm với sóng vô tuyến có thể làm việc với VLC....21
Hình 1.5 Mô hình của một hệ thống VLC ................................................................21
Hình 1.6 Thành phần phía phát của hệ thống VLC ..................................................22
Hình 1.7 Hoạt động của LED ....................................................................................23
Hình 1.8 Phân loại LED ............................................................................................24
Hình 1.9. Hai cách tạo ra ánh sáng trắng từ LED .....................................................25
Hình 1.10.Cƣờng độ phổ phát xạ của (a) LED đơn chip, (b) LED RGB .................26
Hình 1.11 Mô hình kênh truyền LOS .......................................................................27

Hình 1.12 Mô hình kênh truyền phân tán .................................................................27
Hình 1.13 Thành phần thu của hệ thống VLC ..........................................................28
Hình 1.14 Cấu trúc Diode PIN ..................................................................................28
Hình 1.15 Cấu trúc Diode thác APD .........................................................................30
Hình 1.16 Chip cảm biến hình ảnh CMOS ...............................................................30
Hình 1.17 Bộ tập trung quang CPC ..........................................................................31
Hình 1.18 Quá trình phản xạ tại CPC .......................................................................31
Hình 1.19 Sơ đồ khối của máy thu của hệ thống IM/DD điển hình .........................33
Hình 1.20 Biểu diễn khoảng cách nhỏ nhất ..............................................................36
Hình 1.21 Hệ thống giao thông thông minh sử dụng VLC .......................................37
Hình 2.1 Mô hình tham chiếu cho ITS......................................................................44
Hình 2.2 Kiến trúc truyền thông ITS ........................................................................45
Hình 2.3 .Kịch bản ứng dụng ngoài trời của ITS dựa trên VLC...............................47
Hình 2.4 Kịch bản tích hợp đèn tín hiệu giao thông với ITS ....................................48
Hình 2.5 Kiến trúc hệ thống VLC cho việc quảng bá thông tin trong hệ thống ITS 49
Hình 2.6 (a) Cấu hình hệ thống VLC car-to-car, (b) Sự phản xạ từ mặt đƣờng ( phản
xạ phân tán) ...............................................................................................................52
Hình 3.1 Mô hình LED chiếu sáng đèn đƣờng .........................................................57
Hình 3.2 Cƣờng độ chiếu sáng ..................................................................................59
Hình 3.3 Nguồn phát Lambertian..............................................................................63
Hình 3.4 Mô hình bức xạ: Hàm của m và ............................................................64
Hình 3.5 Mô hình kết nối của 370 HB-LED .............................................................66
Hình 3.6 Mô hình kết nối của 69 Power LED ..........................................................67
Hình 3.7 Phân bố độ sáng ........................................................................................67
Hình 3.8 .a.Vuông; b. Tam giác ................................................................................68

8


KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 3.9 (c)Vòng tròn; (d) Ma trận vòng đồng tâm; (e) Vòng tròn đồng tâm với một
LED ở trung tâm .......................................................................................................69
Hình 3.10 .(a). Đặt 370 LED trong 12 vòng tròn đồng tâm với phần trăm chiếm chỗ
gần bằng nhau dọc đƣờng bao. (b) Đặt 370 LED ở 12 vòng tròn đồng tâm với 100%
chiếm chỗ ở một nửa số vòng trong và giảm sự chiếm chỗ ở các vòng ngoài trong
khi giữ nguyên số LED ở các vòng ngoài nhƣ là ở vòng giữa..................................70
Hình 3.11 Mô tả LED và sự chiếu sáng ....................................................................71
Hình 3.12 Mô hình kênh truyền giữa đèn tín hiệu giao thông và phƣơng tiện .........73
Hình 3.13. Độ lợi kênh qua khoảng cách ..................................................................75
Hình 4.1 Mô hình hệ thống ITS đơn giản ứng dụng công nghệ VLC ......................77
Hình 4.2 Phân bố công suất ở phía thu. ....................................................................84
Hình 4.3 Tỷ số SNR theo tọa độ x và y với tốc độ bit 106bit/s .................................85
Hình 4.4 Tỷ số SNR theo tọa độ x và y với tốc độ bit 105bit/s .................................85
Hình 4.5 số SNR theo tọa độ x và y với tốc độ bit 104bit/s ......................................86
Hình 4.6 Tỷ số SNR theo tọa độ x và y với tốc độ 103bit/s ......................................86
Hình 4.7 Tỷ số SNR theo tọa độ x và y với tốc độ 103bit/s ......................................87
Hình 4.8 Tỷ số SNR theo với hai cặp tọa độ (x,y) khác nhau với tốc độ 105bit/s ....87

9


KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỞ ĐẦU
Ngày nay, truyền thông không dây đã trở thành vấn đề cơ bản trong cuộc

sống của chúng ta và chúng ta truyền một lƣợng lớn dữ liệu mỗi ngày. Cách truyền
dữ liệu không dây chủ yếu là bằng các sóng điện từ, đặc biệt là sóng vô tuyến. Tuy
nhiên, các sóng vô tuyến chỉ có băng tần giới hạn do phổ tần bị hạn chế và giao
thoa. Thêm vào đó, phổ tần vô tuyến đã chật chội và khó khăn cho việc tìm kiếm
dung lƣợng vô tuyến để hỗ trợ các ứng dụng truyền thông.
Có một loại truyền thông không dây với tƣơng lai hứa hẹn có thể bổ sung
cho các sóng vô tuyến đó là truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy-VLC. VLC là
một công nghệ truyền thông dữ liệu mà sử dụng các nguồn ánh sáng nhƣ là một
máy phát tín hiệu, không khí nhƣ là môi trƣờng truyền dẫn hay kênh truyền và một
thiết bị nhận tín hiệu. Nói chung máy phát thƣờng là diode phát quang LED trong
khi các thiết bị ở phía thu là bộ tách sóng quang, thƣờng là diode tách sóng. Bằng
cách sử dụng VLC cho các ứng dụng khoảng cách ngắn, chúng ta có thể bổ sung
cho các sóng vô tuyến để đạt đƣợc các tốc độ dữ liệu cao và một băng thông rộng.
Dựa trên sự nghiên cứu chi tiết về nghiên cứu VLC, chúng ta thấy rằng chƣa
có nhiều nghiên cứu đƣợc thực hiện phát triển công nghệ này cho việc sử dụng
thƣơng mại hóa. Nhƣng do nghiên cứu về VLC là tƣơng đối mới và còn nhiều khả
năng mở rộng nghiên cứu, đề tài chọn lựa nghiên cứu về công nghệ truyền thông
bằng ánh sáng nhìn thấy.
VLC đƣợc áp dụng cho các ứng dụng trong nhà và các ứng dụng ở ngoài
trời. Hiện nay, giao thông thông minh đang là một hệ thống đƣợc xây dựng và phát
triển nhằm giảm tắc nghẽn và đảm bảo an toàn giao thông. Bởi vì mất an toàn giao
thông một vấn đề đang đƣợc quan tâm trong xã hội vì nó gây ra nhiều hệ lụy
nghiệm trọng. Giao thông thông minh (ITS) là hệ thống giao thông ứng dụng các
công nghệ, trong đó có công nghệ VLC. Công nghệ VLC giúp cho các thành phần
trong hệ thống ITS có thể trao đổi thông tin với nhau ví dụ thông tin giữa các
phƣơng tiện với nhau, thông tin giữa phƣơng tiện tham gia giao thông và các thiết bị

10

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

hạ tầng giao thông nhƣ đèn tín hiệu giao thông. Từ đó, hệ thống ITS ứng dụng công
nghệ VLC có thể đƣợc xem nhƣ là một hệ thống giao thông tiên tiến không những
cung cấp hạ tầng phục vụ cho việc di chuyển của các phƣơng tiện mà còn trao đổi,
dự báo và kiểm soát thông tin giữa các thành phần trong hệ thống. Các thành phần
trong hệ thống có thể hoạt động không bị xung đột với nhau tránh gây ra vấn đề về
tắc nghẽn và vấn đề tai nạn giao thông. Đồng thời, ứng dụng công nghệ VLC cho hệ
thống giao thông thông minh tận dụng dƣợc ƣu điểm của đèn LED cho cả hai việc
chiếu sáng và truyền tin, giúp tận dụng hạ tầng và giảm giá thành cho các hệ thống.
Vì lý do đó, luận văn chọn đề tài “Nghiên cứu về truyền dẫn thông tin trong dải ánh
sáng nhìn thấy VLC và các ứng dụng trong giao thông thông minh”. Trong luận
văn, mô hình hệ thống VLC ngoài trời ứng dụng cho hệ thống giao thông thông
minh đƣợc đề xuất.
Bố cục của luận văn gồm 4 chƣơng:
-

Chƣơng 1: Tổng quan về công nghệ truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy.

-

Chƣơng 2: Hệ thống giao thông thông minh ứng dụng công nghệ VLC.

-

Chƣơng 3: Mô hình nguồn phát và đặc tính kênh truyền của hệ thống VLC
ứng dụng trong ITS.

-

Chƣơng 4: Mô hình mô phỏng và đánh giá kết quả.

Tiếp theo luận văn trình bày kết luận và hƣớng nghiên cứu phát triển tiếp theo.
Do hiểu biết còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi
mong nhận đƣợc sự góp ý của các thầy cô để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Viện Điện tử-Viễn thông,
trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập. Tôi
xin cám ơn TS.Hà Duyên Trung đã hƣớng dẫn tôi trong quá trình thực hiện và hoàn
thành luận văn.

11


KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG BẰNG
ÁNH SÁNG NHÌN THẤY
1.1

Giới thiệu
Truyền thông bằng ánh sáng nhìn –VLC là cái tên đƣợc đƣa ra cho một hệ

thống thông tin không dây mang thông tin bằng cách điều chế trong phổ ánh sáng
nhìn thấy (400-700nm), dải phổ đƣợc sử dụng cho việc chiếu sáng. Các tín hiệu
truyền thông tin đƣợc mã hóa bởi ánh sáng chiếu sáng.

Hình 1.1 Dải phổ ánh sáng nhìn thấy
VLC ngày càng đƣợc quan tâm với việc sử dụng ánh sáng chiếu sáng cho
truyền tin để tiết kiệm năng lƣợng bằng cách sử dụng sự chiếu sáng để mang thông
tin sử dụng hạ tầng chiếu sáng có sẵn. Hơn nữa, công nghệ VLC thân thiện với môi
trƣờng so với công nghệ tần số vô tuyến. Sự phát triển thêm một công nghệ vô
tuyến VLC là kết quả của nhu cầu ngày một lớn của việc kết nối không dây tốc độ
cao.
1.2

Lịch sử phát triển của công nghệ VLC
Nhiều năm trƣớc, chúng ta thấy có nghiên cứu về VLC và ý tƣởng sử dụng

các LED cho cả việc chiếu sáng (illumination) và truyền tin (data communications).

12


KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Động lực chính cho công nghệ này bao gồm việc chiếu sáng bằng chất bán dẫn
(solid-state lighting) ngày càng phổ biến, tuổi đời dài hơn của LED có độ sáng cao
so với các nguồn ánh sáng nhân tạo khác nhƣ đèn dây tóc, tốc độ băng thông/dữ liệu
cao, bảo mật dự liệu, an toàn sức khỏe, và tiết kiệm năng lƣợng.
Khái niệm VLC nhƣ là một phƣơng thức truyền thông tin đƣợc ra đời tƣ
những năm 1870 khi Alexander Granham Bell mô tả thành công truyền dẫn của một
tín hiệu âm thanh sử dụng một gƣơng đƣợc tạo ra để dao động bởi âm thanh của
một ngƣời. Mô tả thực tế đầu tiên của VLC, đƣợc gọi là máy phát âm thanh bằng
ánh sáng (photophone), diễn ra vào năm 1880 sử dụng ánh sáng mặt trời nhƣ là một

nguồn sáng. Bell và Tainer thành công trong việc truyền tin một cách rõ ràng qua
khoảng cách khoảng 213 mét trong thí nghiệm máy phát âm thanh bằng ánh sáng.
Tuy nhiên, hệ thống của Bell có một vài nhƣợc điểm nhƣ là nó phụ thuộc vào ánh
sáng mặt trời, một loại ánh sáng bị gián đoạn. Sự phát triển về hiện tƣợng trong
quang điện tử (optoelectronics), cụ thể là các nguồn sáng bán dẫn trong các thập kỉ
qua dẫn đến sự nổi lên một lần nữa của truyền thông tin quang không dây.
Ánh sáng bán dẫn là ánh sáng đƣợc tạo ra bởi sự phát quang điện. Những năm
1990, các LED độ sáng cao với mục đích chiếu sáng nói chung đƣợc giới thiệu. Chỉ
trong vài năm, hiệu quả chiếu sáng của LED đƣợc tăng lên nhanh chóng từ 0.1m/W
tới hơn 230lm/W và với thời gian sống khá cao 100000 giờ. Bây giờ chúng ta có thể
thấy có loại nguồn chiếu sáng mới khác nhƣ OLED (organic LED). OLED có hiệu
quả chiếu sáng tƣơng đối thấp khoảng 100lm/W và thời gian sống khá ngắn so với
LED, do đó hạn chế các ứng dụng cho hiển thị màu sắc khác nhau và chiếu sáng nói
chung ở hiện tại. Trái lại OLED lại là giải pháp thay thế cho chiếu sáng và truyền
tin khu vực lớn.
So với các đèn chiếu sáng cổ điển với hiệu quả chiếu sáng bị giới hạn 52lm/W
và đèn huỳnh sáng đỉnh của LED trắng vƣợt quá 260 lm/W, thấp hơn rất nhiều so
với hiệu quả chiếu sáng dự đoán trong lý thuyết đạt tới 425 lm/W. Trong những
năm tới, có những bằng chứng rõ ràng về việc tăng mức độ của chất lƣợng chiếu

13


KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

sáng của LED. Từ quan điểm nhìn môi trƣờng, ánh sáng bán dẫn (solid-state
lighting -SSL) sẽ là một công nghệ cần thiết cho việc tiết kiệm năng lƣợng và bảo
vệ môi trƣờng. Công nghệ sử dụng ánh sáng bán dẫn có ƣu điểm nhƣ sau:

-

Tuổi đời thiết bị dài.

-

Chịu đƣợc độ ẩm cao.

-

Không có thủy ngân.

-

Kích thƣớc nhỏ và gọn hơn.

-

Hiệu quả biến đổi năng lƣợng cao hơn ( với white LED hiệu quả chiếu sáng
lớn hơn 200lm/W).

-

Tiêu thụ năng lƣợng thấp hơn.

-

Chuyển mạch nhanh hơn.

Vì lý do này mà LED ánh sáng trắng là các nguồn lý tƣởng chó các ứng dụng

trong tƣơng lai ở cả trong nhà và ngoài trời cho hai mục đích chiếu sáng và truyền
dữ liệu, do đó dẫn đến tiết kiệm năng lƣợng đáng kể trên toàn cầu. Với sự xuất hiện
của LED ánh sáng trắng tạo bởi sự kết hợp của ba màu cơ bản đỏ, xanh lá cây và
xanh da trời, hay bởi cách sử dụng máy phát ánh sáng xanh kết hợp với một huỳnh
quang, các nghiên cứu và sự phát triển của hệ thống VLC trong nhà đƣợc thúc đẩy.
Các nguồn của VLC có công suất đầu ra quang cao và các đặc tính phát lớn để thực
hiện cho việc chiếu sáng. Hơn nữa, các thiết bị này có đáp ứng kênh không dây
riêng biệt, khác so với với truyền tin không dây hồng ngoại.
Đầu tiên, VLC đƣợc bắt đầu ở phòng thí nghiệm Nakagawa ở đại học Kio ở
Nhật năm 2003. Nghiên cứu này tiếp tục đƣợc theo đuổi và phát triển ở trên toàn
thế giới. Bằng cách đóng mạch và ngắt mạch LED ánh sáng trắng phổ lân quang
(phosphorescent white LEDs) nhanh chóng, tốc độ dữ liệu lên tới 40Mbps dễ dàng
đƣợc thực hiện. Sử dụng cùng kỹ thuật khóa đóng mở, tốc độ dữ liệu cao hơn vƣợt
100Mbps có thể đạt đƣợc với LED ánh sáng trắng RGB. Các LED hốc cộng hƣởng
có thể đạt đƣợc tốc độ dữ liệu vƣợt quá 500Mbps. Các LED cộng hƣởng sử dụng
các phản xạ Bragg, hoạt động nhƣ các gƣơng để tăng ánh sáng đƣợc phát. Thêm vào

14


KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

đó, nó làm tăng độ trong suốt của phổ so với LED thƣờng, do đó nâng cao khả năng
truyền tin. Khái niệm về VLC đƣợc mô tả ở bảng 1.1 dƣới đây:
Thời

Sự kiện

gian
2004

Công bố hệ thống LED truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao trên thiết
bị di động tại Nhật Bản.
Thử nghiệm thực tế hệ thống truyền dẫn VLC tới điện thoại di

2005

động với tốc độ 10 kb/s và vài Mb/s sử dụng đèn huỳnh quang
và LED tại Nhật Bản.

2007

Thực hiện truyền dẫn VLC từ màn hình LCD sử dụng đèn nền
LED tời thiết bị cầm tay, hãng tivi Fuji Nhật Bản.
Hiệp hội VLC (VLCC) tại Nhật Bản đƣa ra hai chuẩn: Tiêu
chuẩn cho hệ thống định danh sử dụng ánh sáng và tiêu chuẩn

2007

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 JAITA CP-1222.
Phát triển các tiêu chuẩn toàn cầu cho mạng gia đình sử dụng

2008

ánh sáng và tia hồng ngoại để truyền dẫn thông qua dự án
OMEGA của EU. Thực hiện truyền dẫn sử dụng 5 đèn LED

với tốc độ ~100Mb/s.

2009

2010

2010

2010

VLCC đã ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật đầu tiên của họ trong
đó xác định phổ tần số sử dụng VLC.
Phát triển công nghệ VLC cho các thiết bị điện nhƣ TV, PC,
điện thoại di động ở đại học Califinia, USA.
Công bố hệ thống định vị toàn cầu GPS với môi trƣờng trong
nhà ở Nhật Bản.
Truyền dẫn với hệ thống VLC đạt tốc độ 500Mb/s với khoảng
cách 5m, thực hiện bởi Siemen và viện Heinrich Het, Đức.

15


KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

2010

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Phát triển tiêu chuẩn cho các công nghệ sử dụng VLC 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 1.1 Lịch sử phát triển của VLC

Đặc điểm của công nghệ VLC

1.3

1.3.1 Dung lƣợng
-

Băng thông lớn: Phổ tần của sóng ánh sáng nhìn thấy ƣớc tính lớn gấp
10000 lần so với phổ sóng vô tuyến và hoàn toàn miễn phí khi sử dụng.

-

Mật độ dữ liệu: Công nghệ VLC có thể đạt đƣợc mật độ dữ liệu gấp 1000
lần so với WIFI bởi ánh sáng nhìn thấy không xuyên qua vật cản nên chỉ tập
trung trong một không gian, trong khi sóng vô tuyến có xu hƣớng thoát ra
ngoài và gây nhiễu.

-

Tốc độ cao: công nghệ VLC có thể đạt đƣợc tốc độ cao nhờ vào nhiễu thấp,
băng thông lớn và cƣờng độ chiếu sáng lớn ở đầu ra.

-

Dễ dàng quản lý: việc quản lý trở nên khá dễ dàng do không gian chiếu sáng
giới hạn, là ánh sáng nhìn thấy nên dễ dàng quản lý hơn so với sóng vô
tuyến.

1.3.2 Hiệu năng
-

Chi phí thấp: Công nghệ VLC yêu cầu ít thành phần hơn so với công nghệ sử
dụng sóng vô tuyến.

-

Sử dụng đèn LED để chiếu sáng có hiệu quả rất cao: tiêu thụ năng lƣợng
thấp, hiệu quả chiếu sáng, giá thành tƣơng đối rẻ và độ bền cao.

-

Truyền thông dƣới nƣớc: Việc truyền thông tin dƣới nƣớc đối với sóng vô
tuyến là rất khó khăn, nhƣng đối với công nghệ VLC thì có thể thực hiện việc đó
dễ dàng hơn.

16


KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

1.3.3 An toàn
-

An toàn đối với sức khỏe con ngƣời.

-

Việc truyền dẫn bằng sóng ánh sáng không gây nhiễu đối với máy bay, không
gây nhiễu với các máy móc sử dụng trong bệnh viện. Không gây hại với sức
khỏe con ngƣời

1.3.4 Bảo mật
-

Vì truyền thông bằng sóng ánh sáng chỉ tập trung ở một khu vực nhất định,
không thể đâm xuyên qua các vật thể nên sẽ rất khó để thu thập hay do thám các
tín hiệu thông tin.

-

Không cần các phƣơng pháp bảo mật phức tạp, do là ánh sáng nhìn thấy nên
việc quản lý truyền dẫn thông tin vô cùng dễ dàng.

-

Công nghệ VLC rất phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu đƣờng xuống tốc độ cao,
trong khi chỉ cần đƣờng lên với tốc độ thấp nhƣ: download video, audio, duyệt
Web… Qua đó, ta có thể giải quyết đƣợc vấn đề quá tải trong mạng truyền
thông tin không dây.

-

Dƣới đây là bảng so sánh các đặc tính của VLC và công nghệ IR và RF.
Đặc tính

VLC

IRB

RFB

Không bị hạn Không bị hạn
Băng thông

chế,

400nm- chế,

700nm
Nhiễu

800-

1600nm

Bị điều chỉnh
và bị hạn chế

sóng

điện từ và mối Không

Không

Có

Có

Không

nguy hiểm
LOS

Có

Khoảng cách

Ngắn

Bảo mật

Tốt

Ngắn tới dài Ngắn tới dài

17

(ngoài trời)

(ngoài trời)

Tốt

Kém


KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Phát triển tốt
Đang phát triển cho trong nhà
Tiêu chuẩn

(IEEE

(IrDa),

đang Đã hoàn thiện

802.15.7)

phát triển cho
ngoài trời

Chiếu sáng và

Các dịch vụ

truyền tin

Truyền tin

Truyền tin

Ánh sáng mặt Ánh sáng mặt
Các

nguồn trời

nhiễu

sáng

Tiêu thụ công
suất
Tính di động
Khoảng

bao

phủ

và

ánh trời
xung sáng

và

ánh Tất cả các thiết
xung bị điện tử và

quanh khác

quanh khác

điện

Tƣơng đối thấp

Tƣơng đối thấp

Trung bình

Bị giới hạn

Bị giới hạn

Tốt

Hẹp và rộng

Hẹp và rộng

Bảng 1.2 So sánh các tham số của VLC, IRB và FRB
1.4

Các ứng dụng của công nghệ VLC

1.4.1 Hàng không
Các hành khách không đƣợc sử dụng sóng vô tuyến ở trong máy bay. Các
ánh sáng dựa trên LED đƣợc sử dụng ở trong khoang của máy bay (hình 1.2) và mỗi
ánh sáng này có thể là máy phát tiềm năng của VLC để cung cấp cả việc chiếu sáng
và các dịch vụ đa phƣơng tiện cho hành khách. Thêm vào đó, nó giảm giá thành và
trọng lƣợng.

18


KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 1.2 VLC ở trong một khoang của máy bay
1.4.2 Chiếu sáng thông minh
Các tòa nhà thông minh yêu cầu các hệ thống chiếu sáng . Chiếu sáng thông
minh với VLC cung cấp hạ tầng cho cả chiếu sáng và truyền thông và sẽ giảm thiểu
đƣợc hệ thống mạch điện và tiêu thụ năng lƣợng cho một công trình xây dựng.
1.4.3 Các môi trƣờng nguy hiểm
Trong các môi trƣờng nhƣ là các nhà máy hóa dầu, các mỏ… sóng vô tuyến
rất nguy hiểm bởi vì hiểm họa cháy nổ, vì thế truyền thông trở nên khó khan. VLC
có thể là một lĩnh vực ƣa thích nhƣ là một công nghệ an toàn và cung cấp chiếu
sáng và truyền thông ở cùng một thời điểm.
1.4.4 Kết nối thiết bị
Bằng cách chỉ ra một ánh sáng nhìn thấy ở thiết bị khác chúng ta có thể có
đƣờng truyền tốc độ dữ liệu rất cao với bảo mật bởi vì chúng ta có thể chiếu một
chum sáng theo một phƣơng thức đƣợc điều chỉnh.
1.4.5 Các phƣơng tiện và giao thông
Các đèn tín hiệu giao thông và nhiều xe ô tô sử dụng các ánh sáng dựa trên

đèn .LED. Các ô tô có thể giao tiếp với nhau để tránh các tai nạn giao thông và các
đèn tín hiệu giao thông cũng có thể giao tiếp với các ô tô để đảm bảo an toàn.

19


KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

1.4.6 Quân đội và bảo mật
VLC có thể cho phép bảo mật và truyền thông không tốc độ rất cao với các
phƣơng tiện và máy bay.
1.4.7 Thông tin dƣới nƣớc
VLC có thể hỗ trợ các tốc độ dữ liệu cao dƣới nƣớc (hình 1.3), nơi mà các
công nghệ sóng vô tuyến không thể hoạt động. Do đó, truyền thông giữa các thợ lặn
và các phƣơng tiện là có thể.

Hình 1.3 VLC trong truyền thông dƣới nƣớc
1.4.8 Y tế
Ở trong các bệnh viện, có nhiều thiết bị có xu hƣớng gây can nhiễu với các
sóng vô tuyến (hình 1.4), vì vậy sử dụng VLC có nhiều lợi ích trong lĩnh vực này.
Mặt khác, công nghệ này giúp cho các bác sĩ truy cập và cập nhập dữ liệu
của bệnh nhân sử dụng các máy tính bảng ở bên cạnh bệnh nhân thay vì sử dụng
văn bản giấy tờ ở bên cạnh bệnh nhân hoặc ở văn phòng. Ứng dụng khác là một
thiết bị đƣợc sử dụng để điều khiển tình trạng của bệnh nhân và các dữ liệu cần thiết
từ xa.

20

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 1.4 Các thiết bị y tế nhạy cảm với sóng vô tuyến có thể làm việc với VLC
Các thành phần trong hệ thống VLC

1.5

Một hệ thống VLC bao gồm 3 thành phần chính: Hệ thống phát, kênh truyền
và hệ thống thu. Hình 1.5 mô tả mô hình của một hệ thống VLC.
Điều khiển
làm mờ
(Dimming
control)

Mạch
điều
khiển

Ma trận
LED và
các thấu
kính
quang
học

Kênh
truyền

h(t)

Bộ tập
trung
quang

Bộ lọc
quang

Module
truyền tin
(commun
ication
module)

Bộ tách
sóng
quang

Bộ
khuếch
đại

Dữ liệu
vào

Dữ liệu ra

Hình 1.5 Mô hình của một hệ thống VLC
1.5.1 Phía phát

1.5.1.1

Cấu trúc của phía phát
Các thành phần của phía phát của VLC là thiết bị phát bán dẫn ánh sáng

nhìn thấy, nó có thể là LED hoặc Laser bán dẫn, phụ thuộc vào ứng dụng, mạch

21


KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

điều chỉnh độ sáng (dimming control) và mạch điều khiển LED (điều chế) (hình
1.6).

Điều chỉnh
độ sáng

Mạch điều khiển
LED (Điều chế)

LED

Dữ liệu

Hình 1.6 Thành phần phía phát của hệ thống VLC
Cả laser và LED có thể sử dụng cho truyền dữ liệu, nhƣng khi thành phần
phát của VLC phải hoạt động nhƣ là máy phát dữ liệu và nhƣ một thiết bị chiếu

sáng ở cùng một thời điểm thì LED đƣợc sử dụng. Trong các phần sau, LED đƣợc
phân loại và chúng ta sẽ thấy LED ánh sáng trắng đƣợc sử dụng cho chiếu sáng và
cho truyền dẫn dữ liệu.
1.5.1.2

Hoạt động của LED

Khi phân cực thuận cho LED (hình 1.7) sẽ có dòng bơm qua LED làm cho các
điện tử đang ở vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn. Đây là hiện tƣợng đảo mật độ do ở
điều kiện bình thƣờng, nồng độ điện tử ở vùng hóa trị sẽ rất lớn so với nồng độ điện
tử ở vùng dẫn nhƣng khi đƣợc kích thích, các điện tử nhảy mức năng lƣợng làm cho
nồng độ điện tử ở vùng dẫn lớn hơn so với nồng độ điện tử ở vùng hóa trị. Đồng
thời, dƣới tác dụng của điện trƣờng phân cực thuận, các điện tử từ lớp N sẽ đƣợc
khuếch tán sang lớp tích cực và các lỗ trống ở lớp P cũng đƣợc 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 tƣợng phát xạ ở đây chủ yếu là hiện tƣợng phát xạ tự phát.
Hoạt động của LED mô tả nhƣ hình vẽ dƣới đây:

22


KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 1.7 Hoạt động của LED
Cơ chế làm mờ chính xác là trở ngại đối với các đèn dây tóc và đèn phóng điện
qua khí, nhƣng lại thuận lợi với LED cho việc điều chỉnh mức làm mờ (dimming
control). Đó là bởi vì đáp ứng thời gian trong suốt hoạt động chuyển mạch tắt mở
của LED rất ngắn (chỉ vài chục nano giây). Do đó, bằng cách điều chế dòng điều

khiển (driver current) của LED ở một tần số tƣơng đối cao thì có thể chuyển LED ở
trạng thái ON và OFF mà không thể nhận biết bởi mắt ngƣời. Do đó, ánh sáng phát
xạ từ LED ở dạng của một tần số cao lặp lại và một dòng xung công suất trung bình
thấp. Dòng bức xạ trung bình phát ra bởi LED tuyến tính với độ rộng tƣơng đối của
tín hiệu làm mờ (dimming signal). Phụ thuộc vào các ứng dụng và các yêu cầu an
toàn, máy phát có thể là LED hay Laser. Nhƣng ở các ứng dụng cả cho chiếu sáng
và truyền thông nhƣ VLC, ngƣời ta ƣa chuộng sử dụng LED hơn.
1.5.1.3

Phân loại LED

Hệ thống phát sử dụng các đèn LED để truyền tải thông tin với tốc độ lên tới
hàng trăm Mb/s. Có rất nhiều loại LED đƣợc sử dụng để chế tạo ra ánh sáng trắng
bao gồm LED đơn màu phủ phosphor (Phosphor based-LED) hoặc LED RGB
(Red-Green-Blue) (hình 1.8). Với LED RGB, mỗi một màu ta có thể sử dụng để

23


KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

truyền một kênh dữ liệu riêng biệt. Loại thứ nhất sử dụng một chip bán dẫn xanh
(blue) và sau đó phủ thêm một lớp phosphor bên ngoài hay còn gọi là LED màu
trắng đơn chip. Khi dòng điện đƣợc cung cấp cho chip LED màu xanh, chip này sẽ
phát ra ánh sáng xanh, phosphor sau đó đƣợc kích thích bởi màu xanh và sẽ phát ra
huỳnh quang màu vàng. Sự kết hợp của hai loại màu này cho 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 trộn lại với nhau để tạo ra ánh

sáng trắng.
LED đơn chip phủ phosphor có giá thành rẻ hơn, mạch điều khiển ít phức tạp
hơn tuy nhiên lại bị hạn chế, thêm nữa, lớp phosphor chỉ phát xạ ánh sáng sau khi
chip màu xanh phát xạ, do vậy tốc độ đáp ứng của LED đơn chip thấp hơn so với
LED RGB. Nhƣ chúng ta thấy ở hình 1.8 (a) ta thấy LED đơn chip có hạn chế về
băng thông do vậy ta có thể khắc phục bằng cách sử dụng bộ lọc (blue filter) ở phía
thu trƣớc khi ánh sáng đƣợc đƣa đến photodiode. Còn ở hình 1.8(b), LED RGB có
thể cung cấp 3 kênh truyền dẫn riêng, mỗi kênh ứng với một chip LED, thích hợp
cho hệ thống WDM, nhƣng một vấn đề cần phải đảm bảo sự cân bằng màu sáng của
ánh sáng không bị thay đổi khi truyền dẫn VLC.

Hình 1.8 Phân loại LED
Với mục đích sử dụng cả cho chiếu sáng nên LED đơn màu đƣợc ƣu tiên lựa
chọn bởi giá thành rẻ và hiệu quả chiếu sáng cao.

24


KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 1.9. Hai cách tạo ra ánh sáng trắng từ LED
Do LED đƣợc sử dụng vừa chiếu sáng vừa truyền thông nên ta cần phải xác
định hai đại lƣợng đó là cƣờng độ chiếu sáng và công suất quang truyền đi. Cƣờng
độ chiếu sáng đƣợc dùng để thể hiện độ sáng của một bóng đèn LED còn công suất
quang truyền dẫn chỉ ra tổng năng lƣợng phát xạ từ LED.
Cƣờng độ chiếu sáng đƣợc tính bằng quang thông qua mỗi góc khối theo
(1.1):
(1.1)

Trong đó

là quang thông và

là góc không gian,

có thể đƣợc tính từ

theo

công thức (1.2):

(1.2)

Trong đó:

là đƣờng cong độ sáng tiêu chuẩn,

là độ sáng tối đa vào khoảng

~680lm/W tại bƣớc sóng 555nm.
Công suất quang truyền đi

đƣợc tính theo công thức (1.3):

25