luận văn thạc sĩ cải thiện hiệu suất mạng VLC bằng phương pháp lập lịch tối ưu tài nguyên

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

Hồng Văn Hà
CẢI THIỆN HIỆU SUẤT MẠNG VLC BẰNG PHƯƠNG PHÁP
LẬP LỊCH TỐI ƯU TÀI NGUYÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI - 2020


HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

Hồng Văn Hà
CẢI THIỆN HIỆU SUẤT MẠNG VLC BẰNG PHƯƠNG PHÁP
LẬP LỊCH TỐI ƯU TÀI NGUYÊN
Chuyên ngành :

Kỹ thuật Viễn thông

Mã số

8.52.02.08

:

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. VŨ TUẤN LÂM

HÀ NỘI – 2020


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự
hướng dẫn của TS. Vũ Tuấn Lâm. Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được
trích dẫn nguồn gốc rõ ràng. Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là
trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ cơng trình nào.
TÁC GIẢ

Hồng Văn Hà


ii

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình nghiên cứu đề tài “Cải thiện hiệu suất mạng VLC bằng
phương pháp lập lịch tối ưu tài nguyên”, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của lãnh đạo
Khoa Đào tạo sau Đại học, thầy cô giáo Học viện Cơng nghệ Bưu chính Viễn thơng
cùng các bạn và các anh chị trong khoa.
Xin chân thành cảm ơn lãnh đạo cùng các cán bộ Khoa Đào tạo sau Đại học
Học viện Cơng nghệ Bưu chính Viễn thơng đã quản lý và tổ chức hiệu quả và chất
lượng giúp tơi n tâm trong suốt q trình học tập và nghiên cứu.
Xin chân thành cảm ơn đến thầy giáo TS. Vũ Tuấn Lâm người trực tiếp
hướng dẫn và giúp đỡ tôi nghiên cứu đề tài.

Xin chân thành cảm ơn các bạn cùng lớp và các anh chị trong khoa đã hỗ trợ
và góp ý để tơi hồn thành tốt luận văn này.
Tuy rằng luận văn cịn nhiều thiếu sót và hạn chế nhưng rất mong nhận được
sự góp ý và nhận xét từ các thầy cô.


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN..............................................................................................i
LỜI CẢM ƠN...................................................................................................ii
.......................................................................................................................... ii
MỤC LỤC.......................................................................................................iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU..............................................................................v
DANH MỤC HÌNH VẼ...................................................................................vi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT................................................................viii
......................................................................................................................... ix
LỜI MỞ ĐẦU...................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG SỬ
DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY...........................................................................2
1.1 Q trình phát triển của công nghệ VLC.................................................2
1.2 Các đặc trưng kỹ thuật của công nghệ VLC............................................3
1.3 Ứng dụng của công nghệ VLC..............................................................11
1.4 Thách thức của công nghệ VLC............................................................15
1.5 Kết luận chương....................................................................................16
CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN TỚI HIỆU NĂNG HỆ THỐNG
VLC......................................................................................................................... 17
2.2 Hiệu năng đường xuống của hệ thống VLC..........................................19
2.3 Các vấn đề về nhiễu ảnh hưởng tới hiệu năng.......................................23
2.4 Kết luận chương....................................................................................29

CHƯƠNG 3: NÂNG CAO HIỆU NĂNG VLC THÔNG QUA KỸ THUẬT
LẬP LỊCH...............................................................................................................30
3.1 Giới thiệu mơ hình mạng VLC..............................................................30
3.2 Cấu trúc hệ thống VLC đa điểm truy cập..............................................32
3.3 Cơ chế lập lịch trong hợp tác đa điểm phối hợp....................................34


iv
3.4 Giải pháp lập lịch nâng cao hiệu năng VLC..........................................40
3.5 Kết quả đánh giá hiệu năng của giải pháp nâng cao hiệu năng VLC.....48
3.6 Kết luận chương....................................................................................52
KẾT LUẬN CHUNG......................................................................................53
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................54


v

DANH MỤC BẢNG BIỂU


vi

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Cấu tạo của RGB LEDs....................................................................5
Hình 1.2: Cấu tạo của LED đơn phủ phốt pho..................................................6
Hình 1.3: Quang phổ của LED đơn phủ phốt pho.............................................6
Hình 1.4: Phổ tần số ánh sáng nhìn thấy của VLC............................................7
Hình 1.6: Sơ đồ khối việc điều chỉnh cường độ sáng......................................10
Hình 1.7: Giao thơng thơng minh....................................................................11
Hình 1.8: Truyền thơng trong bệnh viện và máy bay......................................12

Hình 1.9: Truyền thơng dưới nước sử dụng cơng nghệ VLC..........................13
Hình 1.10: Cơng nghệ Li-Fi............................................................................13
Hình 1.11: Ứng dụng cơng nghệ VLC trong nhà thơng minh.........................14
Hình 1.12: Cơng nghệ VLC ứng dụng trong định vị và dẫn đường.................14
Hình 2.1: Mơ hình hệ thống VLC...................................................................17
Hình 2.3 Phân loại kênh truyền trong hệ thống VLC......................................19
Hình 2.4: Kênh đường xuống trong hệ thống VLC.........................................22
Hình 2.5 Mơ hình hệ thống OFDM quang......................................................24
Hình 2.6: Hệ thống VLC SDMA/OFDMA.....................................................26
Hình 3.1: Mặt cắt đứng của cấu hình AP với 9 và 25 chùm sáng....................30
Hình 3.2: Các mơ hình triển khai mạng VLC trong nhà..................................33
Hình 3.3: Triển khai lắp đặt các điểm truy cập theo dạng lưới........................33
Hình 3.4: Phân loại cơ chế CoMP...................................................................35
Hình 3.5. Cơ chế CoMP-CB...........................................................................36
Hình 3.7. Cơ chế CoMP Intra-eNB JT............................................................37
Hình 3.8: Cơ chế CoMP Inter-eNB JT trong kiến trúc phân tán......................38
Hình 3.9: Cơ chế CoMP Inter-eNB JT trong kiến trúc tập trung.....................38
Hình 3.13 Thơng lượng hệ thống với từ 1 đến 5.............................................51


vii
Hình 3.14 Thơng lượng người dùng với từ 1 đến 5.........................................51


viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AP (Access Point)

Điểm truy cập

CCI (Co-channel Interference)

Nhiễu đồng kênh

FIFO (First in First Out)

Vào trước ra trước

FOV (Field of View)

Góc nhìn

HCPP (Hard-core Point Process)

Q trình điểm Hard-core

ICI (Inter-Cell Interference)

Nhiễu liên cell

IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform)

Biển đổi ngược Fourier rời rạc

IM/DD

(Intensity Modulation / Direct

Detection)

Điều chế cường độ, tách sóng trực tiếp

ISI (Inter-symbol Interference)

Nhiễu xuyên ký tự

LED (Light Emitting Diode)

Diode phát quang

LOS (Line of Sight)

Ánh sáng trực tiếp

NLOS (Non-Line of Sight)

Ánh sáng phản xạ

OFDM (Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số trực
Multiplexing)
OFDMA (Orthogonal Frequency-Division
Multiple Access)

giao
Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao

PD (Photo Detector)

Bộ chuyển đổi tín hiệu quang điện

PPP (Poisson Point Process)

Quá trình điểm Poisson

QoS (Quality of Service)

Chất lượng dịch vụ

RF (Radio Frequency)

Tần số vô tuyến


ix

RSS (Received Signal Strength)

Độ mạnh tín hiệu nhận được

RU (Resource Unit)

Đơn vị tài nguyên

SDMA (Space Division Multiple Access)

Đa truy cập phân chia theo không gian

SINR (Signal to Interference Plus Noise
Ratio)

Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu

TC (Transmission Cluster)

Cụm truyền dẫn

UE (User Equipment)

Thiết bị người dùng

VLC (Visible Light Communication)

Mạng truyền thông ánh sáng nhìn thấy


1

LỜI MỞ ĐẦU
Sự thiếu hụt tài nguyên cho dịch vụ mạng không dây ngày nay đưa đến xu
hướng di chuyển dải tần số để truyền không dây đến tần số cao hơn trong phổ tần số
vô tuyến (Radio Frequency). Băng thông phổ ánh sáng khả kiến (Visual Light) rộng
hơn 1000 lần so với toàn bộ phổ tần 300 GHz RF đã và đang chứng tỏ là một
phương án khả thi trong truyền thơng băng rộng. Truyền thơng ánh sáng nhìn thấy
(VLC: Visual light Communication) cho phép cơ sở hạ tầng chiếu sáng hiện tại
cung cấp không chỉ chiếu sáng mà cịn cả giao tiếp khơng dây.
u cầu cơ bản của hệ thống VLC là cung cấp truyền dẫn tốc độ cao và độ
phủ sóng liền mạch. Để đáp ứng yêu cầu này, kiến trúc hệ thống VLC sử dụng trạm
phát đa chùm sáng đã được đề xuất gần đây. Tuy nhiên, nâng cao hiệu năng hệ
thống này vẫn đang là vấn để mở đối với các nhà nghiên cứu và triển khai khi số

lượng các điều kiện ràng buộc tăng lên. Trong đó, vấn đề về nhiễu đồng kênh phụ
thuộc rất lớn vào ràng buộc không gian cũng như thuật tốn phân bổ tài ngun cho
người dùng. Vì vậy, đây là một vấn để mở cần nghiên cứu để cải thiện hiệu năng hệ
thống VLC.
Các giải pháp giảm nhiễu đồng kênh để nâng cao hiệu suất mạng VLC được
nhiều nhà nghiên cứu quan tâm và thể hiện qua nhiều phương án kỹ thuật như: Tái
sử dụng tần số, điều khiển cơng suất, hiệu chỉnh góc phát chùm sáng hoặc kỹ thuật
lập lịch phân bổ tài nguyên. Trong luận văn này sẽ tiếp cận phương pháp lập lịch tài
nguyên trên cơ sở thông tin người dùng được thu thập và thống kê để nâng cao hiệu
suất mạng VLC như tăng thông lượng và giảm trễ truyền thơng.
Phần cịn lại của luận án này được tổ chức như sau:
Chương 1: Tổng quan về cơng nghệ truyền thơng sử dụng ánh sáng nhìn thấy
Chương 2: Các vấn đề liên quan tới hiệu năng hệ thống
Chương 3: Nâng cao hiệu năng VLC thông qua kỹ thuật lập lịch
Cuối cùng, Luận án này tóm tắt cơng việc của mình với một số nhận xét và
một số định hướng làm trong tương lai.


2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN
THÔNG SỬ DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY
1.1 Q trình phát triển của cơng nghệ VLC
Ánh sáng nhìn thấy được xem như một phương tiện truyền thông bắt đầu từ
năm 1870, khi Alexander Graham Bell đã chứng minh thành cơng việc truyền tín
hiệu âm thanh bằng cách sử dụng một chiếc gương bị rung bởi giọng nói của người.
Buổi trình diễn thực tế đầu tiên về truyền thơng sử dụng ánh sáng nhìn thấy vào
tháng 6 năm 1880, khi Alexander Graham Bell và trợ lý của ông - Tainter đã thành
công trong việc truyền tín hiệu qua khoảng cách 213m trong thử nghiệm với
photophone và nguồn sáng tự nhiên là ánh sáng mặt trời [1]. Tuy nhiên, thí nghiệm

của Alexander Graham Bell đã khơng sn sẻ vì sự thơ ráp của các thiết bị sử dụng
và ánh sáng mặt trời là không liên tục bởi sự thay đổi của môi trường.
Trong những năm 1990, đã chứng kiến sự ra đời của đèn LED với độ chiếu
sáng cao giúp mục đích chiếu sáng thơng thường [2]. Chỉ trong vòng vài năm, hiệu
quả của ánh sáng đèn LED đã được cải thiện nhanh chóng, từ ít hơn 0.1 lm/W cho
đến lên trên 230 lm/W và đồng thời tuổi thọ đèn có thể lên đến 100.000 giờ. Một số
ưu điểm chính của đèn LED như: Tuổi thọ dài hơn đáng kể, khả năng chịu ẩm cao
hơn, không có thủy ngân, kích thước nhỏ hơn và nhỏ gọn, hiệu quả chuyển đổi năng
lượng cao hơn nhiều (hiện đã có đèn LED trắng với độ sáng cao hơn 200 lm/W),
giảm đáng kể sự phát nhiệt so với tất cả các nguồn chiếu sáng khác, tiêu thụ điện
năng thấp hơn, quan trọng nhất là chuyển đổi nhanh. Với những ưu điểm này, đèn
LED trắng là nguồn sáng lý tưởng cho các ứng dụng trong tương lai (trong nhà và
ngoài trời) cho mục đích kép đó là chiếu sáng và truyền thông dữ liệu.
Vào năm 2000, các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Keio, Nhật Bản đã đề
xuất sử dụng đèn LED trắng để xây dựng một mạng truy cập không dây trong nhà.
Điều này đã thúc đẩy việc nghiên cứu (đặc biệt là ở Nhật Bản) để xây dựng hệ
thống truyền thông dữ liệu tốc độ cao thông qua việc sử dụng ánh sáng nhìn thấy.
Điều này đã dẫn tới việc thành lập hiệp hội truyền thông ánh sáng nhìn thấy
(VLCC) tại Nhật Bản vào tháng 11 năm 2003 [3]. Năm 2004, tại Nhật Bản đã trình


3
diễn một hệ thống sử dụng đèn LED để truyền dữ liệu tốc độ cao đến các thiết bị
máy tính cầm tay và phương tiện xe. Năm 2007, hiệp hội VLCC của Nhật Bản đã đề
xuất hai tiêu chuẩn: tiêu chuẩn hệ thống truyền thơng sử dụng ánh sáng nhìn thấy và
tiêu chuẩn hệ thống ID ánh sáng nhìn thấy, và JEITA đã chấp nhận các tiêu chuẩn
này như JEITA CP-1221 và JEITA CP-1222. Năm 2008, trình diễn hệ thống VLC sử
dụng đèn LED trắng có thể đạt tốc độ dữ liệu lớn hớn 100 Mbps trên các khoảng
cách dài hơn vài mét và sử dụng đường truyền thẳng (LOS). Hiệp hội VLCC cũng
kết hợp và điều chỉnh lớp vật lý với truyền thông sử dụng hồng ngoại do Hiệp hội

Dữ liệu hồng ngoại Quốc tế (IrDA) đề xuất trong năm 2009. Song song với đó, dự
án GIS Gigabit (OMEGA) do Liên minh Châu Âu tài trợ cũng phát triển truyền
thông quang học như một cách để gia tăng mạng lưới truyền thông RF. Vào năm
2014, hiệp hội VLCA (Hiệp hội Truyền thơng ánh sáng nhìn thấy) được thành lập
như một kế nhiệm của hiệp hội VLCC tại Nhật Bản, để chuẩn hóa cơng nghệ VLC.
Trong năm 2011, tiêu chuẩn IEEE về truyền thơng sử dụng ánh sáng nhìn
thấy đã được đề xuất dưới dạng IEEE 802.15.7 bao gồm lớp liên kết dữ liệu và các
đặc điểm thiết kế của lớp vật lý [3-4]. Năm 2013, giáo sư Harald Haas đã thực

hiện truyền dữ liệu với tốc độ lên đến 1.6 Gbps thông qua đèn LED đơn sắc
[5]. Trong vài năm gần đây, dung lượng kết nối VLC đạt được đã vượt qua 1 Gbps,
và các nỗ lực nghiên cứu đang ngày càng tăng lên và đang hướng tới việc nhận ra
tiềm năng đầy đủ của công nghệ VLC này.

1.2 Các đặc trưng kỹ thuật của công nghệ VLC
1.2.1 Đèn LED trắng
Trong một hệ thống truyền thông quang, nguồn sáng được sử dụng phải đạt
được sự ổn định về bước sóng, độ rộng vạch phủ và tuổi thọ, trong nhưng năm gần
đây đèn LED phát triển rất mạnh mẽ đã đáp ứng được nhu cầu phát sáng và đáp ứng
được các điều kiện kể trên. LED (Light Emitting Diode – diode phát quang) là linh
kiện bán dẫn chuyển đổi tín hiệu điện thành ánh sáng hoặc tia hồng ngoại. Với sự
phát triển nhanh chóng của cơng nghệ LED, cơ sở hạ tầng sử dụng nguồn sáng LED


4
càng trở nên phổ biến. LED trắng được sử dụng làm nguồn phát tín hiệu quang để
truyền dữ liệu trong cơng nghệ truyền thơng ánh sáng nhìn thấy.
Một số ưu điểm của đèn LED trắng như sau [2][3][4]:

• Hiệu suất phát sáng cao: Theo lý thuyết, hiệu quả của đèn LED trắng có thể

đạt tới 425 lm/W. Tuy nhiên, sử dụng thực tế cho thấy hiệu quả của chúng đạt
đỉnh ở 260 lm/W, cao hơn so với đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang truyền thống,
tương ứng là 52 lm/W và 90 lm/W.

• Tuổi thọ cao: Đèn LED trắng dự kiến sẽ có tuổi thọ sử dụng trong khoảng
60.000 giờ so với 1.200 và 10.000 giờ của bóng đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang
tương ứng.

• Tiêu thụ ít điện năng: Điểm cộng lớn của đèn LED trắng là chúng tiêu thụ
một lượng năng lượng thấp hơn nhiều so với các loại đèn hiện có. Cơng suất tiêu
thụ của đèn LED trắng là khoảng 6W, chỉ bằng 10% và 40% của bóng đèn sợi
đốt và đèn huỳnh quang.

• Kích thước nhỏ gọn: Kích thước của đèn LED trắng đạt đến ngay cả dưới 2
.

• Chuyển đổi nhanh: Một trong những đặc tính đặc biệt của đèn LED là khả
năng chuyển đổi ở tốc độ siêu cao, có thể là hàng nghìn lần mỗi giây.

• An tồn với cơ thể con người và thân thiên với môi trường: Đèn LED không
phát tia cực tím và bao gồm thủy ngân, vì vậy chúng có thể an tồn cho mắt
người.

• Dễ dàng điều chỉnh độ sáng của đèn LED: Có thể dễ dàng điều chỉnh độ
chiếu sáng của đèn LED bằng phương pháp điều chỉnh độ rộng xung hoặc
cường độ dòng điện qua đèn LED.
Một số nhược điểm của đèn LED trắng như sau:
• Giá thành cịn tương đối cao: Giá thành hiện tại của đèn LED vẫn còn cao
hơn hầu hết các công nghệ chiếu sáng thông thường (sợi đốt và đèn huỳnh
quang) khi xem xét trên cùng chi phí về cường độ chiếu sáng.

5
• Phụ thuộc vào nhiệt độ mơi trường: Một điểm yếu lớn khác của đèn LED là
chúng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ mơi trường xung quanh.
• Góc bức xạ: Đèn LED hiện tại không thể cung cấp được chùm sáng hẹp
khoảng một vài độ. Trong khi đó, laser có thể phát ra các chùm tia với góc bức
xạ 0.2 độ.
• Độ nhạy điện áp: Để hoạt động ở hiệu suất cao, đèn LED cần phải được cung
cấp điện áp phù hợp và ln có một mức ngưỡng đáp ứng nhất định.
• Giảm hiệu quả: Hiệu quả phát sáng của đèn LED sẽ giảm khi dòng điện tăng
trên 10 mA.
Các chủng loại LED trắng:
Có hai loại đèn LED có sẵn trên thị trường: Đèn LED màu đơn (ví dụ: đèn đỏ,
xanh lá cây và xanh lam) và đèn LED trắng. Bằng cách sử dụng các vật liệu khác
nhau, có hai cách để tạo ra ánh sáng trắng bằng cách sử dụng đèn LED.
RGB LEDs: Ánh sáng trắng được tạo ra một cách đơn giản khi trộn ba màu cơ
bản (đỏ, xanh lá cây, xanh nước biển) như thể hiện trên hình 1.1. Các đèn LED
được thiết kế theo cách này thường được gọi là RGB LEDs. Đèn LED RGB có các
đặc tính nổi bật như tính linh hoạt của việc trộn các màu khác nhau, bên cạnh đó nó
có hiệu suất phát sáng cao hơn 90 lm/W khi so sánh với đèn LED đơn phủ màu phốt
phát. Công nghệ VLC khi sử dụng RGB LEDs có thể cung cấp khả năng ghép kênh
phân chia theo bước sóng WDM (ở đây là bước sóng ánh sáng).

Hình 1.1: Cấu tạo của RGB LEDs


6
LED đơn phủ phốt pho (phosphor based LED): Ánh sáng trắng được tạo
ra bằng cách sử dụng LED màu xanh có phủ lớp phốt pho phát ra màu vàng như thể

hiện trên hình 1.2.

Hình 1.2: Cấu tạo của LED đơn phủ phốt pho

Loại đèn LED trắng này ít tốn kém hơn so với đèn LED RGB vì tính đơn
giản ở thiết kế khi chỉ cần một nguồn màu duy nhất. Do đó, phần lớn các đèn LED
trắng trên thị trường sản xuất bằng phương pháp này. Tuy nhiên, đèn LED đơn phủ
phốt pho có nhược điểm là hiệu quả phát sáng thấp khi nó được so sánh với đèn
LED RGB (∼ 80 lm/W) do các vấn đề suy hao liên quan đến lớp phủ phốt pho. Do
tính chất của thời gian phân rã dài của phosphor, băng thông điều chế của phát xạ
trắng giới hạn đến ∼ 2 MHz. Tuy nhiên, thành phần màu xanh có băng thơng điều
chế lớn hơn ∼ 20MHz. Do đó, để tăng tốc độ truyền dữ liệu, băng thơng điều chế
cao, một giải pháp đó là sử dụng bộ lọc màu xanh ở phía bộ thu để chỉ giải điều chế
ở dải màu xanh trong quang phổ. Hình 1.3 thể hiện quang phổ ánh sáng khi sử dụng
đèn LED phủ phốt pho.

Hình 1.3: Quang phổ của LED đơn phủ phốt pho


7

1.2.2 Các đặc trưng của cơng nghệ VLC

Hình 1.4: Phổ tần số ánh sáng nhìn thấy của VLC

Ánh sáng nhìn thấy là dạng sóng với bước sóng nằm trong khoảng từ 380nm
đến 750nm tương ứng với giải tần số từ 430THz đến 790THz như thể hiện ở hình
1.4. Do đó cơng nghệ VLC sử dụng ánh sáng nhìn thấy có băng thơng khơng bị hạn
chế, băng tần có thể đạt 400 THz. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ
LED, VLC có thể đạt được truyền dẫn tốc độ cao lên tới hàng gigabit. Dưới đây là

một số đặc trưng tiêu biểu của cơng nghệ VLC [3][5][6]:
• Băng thơng: Phổ tần số dùng trong công nghệ truyền thông vô tuyến điện
RF có giới hạn, nhu cầu sử dụng thì ngày càng tăng do nhu cầu về lượng truy
cập không dây tăng nhanh chóng theo cấp số nhân. Trong khi đó phổ tần số ánh
sáng nhìn thấy lớn cấp 10.000 lần so với RF. Công nghê VLC sẽ là giải pháp
truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao với mục tiêu giải quyết sự tắc nghẽn của cơng
nghệ RF hiện tại.
• Tính bảo mật: Do sự hạn chế của ánh sáng là không thể đi xuyên qua vật cản
và chỉ phủ trong một diện tích nhất định, hệ thống VLC có tính bảo mật cao khi
vùng phủ sóng đã được xác định và bên ngồi khó có thể xâm nhập vào mạng.
• Hiệu quả quang phổ cao: Với đặc tính vùng phủ hạn chế của LED, với một
diện tích trong nhà, hệ thống có thể chia thành nhiều các khu vực nhỏ tách biệt
và sử dụng lại tài nguyên băng tần. Do đó, hiệu quả sử dụng quang phổ của VLC
cao gấp nhiều lần so với RF.


8
• Tính năng kép: Cơng nghệ VLC vừa đáp ứng nhu cầu chiếu sáng vừa
truyền dữ liệu tốc độ cao. Cơng nghệ LED phát triển nhanh chóng, hiệu quả sử
dụng điện năng của LED cao, từ đó tiết kiệm năng lượng. Các cơ sở hạ tầng
chiếu sáng LED ngày càng phổ biến, nó là cơ hội cho cơng nghệ VLC phát triển.
• Khơng gây nhiễu điện từ: Ánh sáng khơng ảnh hưởng nhiễu đến sóng điện
từ và các thiết bị điện tử nhạy cảm, điều này giúp VLC có thể được sử dụng ở
các môi trường đặc biệt như bệnh viện, máy bay, trạm xăng....
• An tồn với con người và thân thiện với mơi trường: Như đã trình bày ở
ưu điểm của LED, công nghệ VLC sử dụng LED là nguồn sáng do vậy nó an
tồn với cơ thể con người và thân thiện với môi trường.
Như vậy, công nghệ VLC có rất nhiều ưu điểm so với cơng nghệ truyền thông
vô tuyến truyền thống, công nghệ VLC vừa có khả năng chiếu sáng, vừa có khả
năng truyền thơng với băng thông rộng, mức độ bảo mật cao và công suất tiêu thụ

thấp. Bảng 1.1 thể hiện so sánh đặc tính của cơng nghệ VLC và cơng nghệ RF.
Bảng 1.1: So sánh đặc tính của VLC và cơng nghệ RF [3]

Đặc tính
Băng thơng
Truyền thẳng

VLC
Khơng giới hạn (400–700 mm)
Có

RF
Giới hạn
Khơng

Khoảng cách

Ngắn

Ngắn đến dài (ngoài trời)

Bảo mật

Cao

Thấp

Tiêu chuẩn
Dịch vụ
Nguồn nhiễu

Tiêu hao năng lượng
Khả năng di động
Vùng phủ

Đang hoàn thiện tiêu chuẩn
IEEE 802.15.7
Chiếu sáng + Truyền thông
Ánh sáng mặt trời và các
nguồn sáng xung quanh
Khá thấp
Giới hạn
Hẹp và rộng

Hồn thiện
Truyền thơng
Tất cả các thiết bị điện từ.
Trung bình
Tốt
Chủ yếu rộng


9

1.2.3 Các thành phần của VLC
Một hệ thống VLC có thể dễ dàng thực hiện bằng cách điều chỉnh cường độ
ánh sáng của đèn LED tại khối phát dữ liệu để đưa tín hiệu điện thành tín hiệu chiếu
sáng, trong khi đó ở phía thu sử dụng một photodiode (PD) để chuyển đổi từ tín
hiệu ánh sáng sang tín hiệu điện. Việc điều chỉnh chính xác của cường độ sáng tối
(chiếu sáng) với bóng đèn truyền thống là rất khó thực hiện bởi sự phản ứng chậm
về cường độ sáng. Trong khi đèn LED lại rất dễ dàng thực hiện vì sự phản ứng

nhanh về cường độ sáng của nó. Vì vậy bằng việc điều chế dịng điện qua đèn LED
ở tần số khá cao, chúng ta có thể thay đổi trạng thái On-Off của đèn LED mà không
làm thay đổi độ sáng của ánh sáng (mắt người không cảm nhận được). Hình 1.5
dưới đây thể hiện sơ đồ khối của công nghệ truyền thống quang.
Khối phát: Trạm phát VLC sử dụng mảng LED làm nguồn phát để truyền
tải dữ liệu với tốc độ cao có thể đạt đến hàng Gbps. Với mục đích vừa đáp ứng
chiếu sáng và truyền dữ liệu, LED trắng (LED RGB hoặc LED đơn phủ phốt pho)
được sử dụng làm nguồn phát ánh sáng cho hệ thống VLC. Làm mờ hay điều chỉnh
độ sáng tối là thách thức đối với bóng đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang, trong khi đó
LED thì khá thuận tiện để kiểm sốt chính xác độ mờ. Điều này là do thời gian đáp
ứng chuyển mạch On-off rất nhỏ (vài chục nano trên giây). Do vậy, trạm phát VLC
có sử dụng khối điều khiển độ sáng để có thể thay đổi độ sáng tối trong hệ thống tùy
thuộc vào yêu cầu của người sử dụng. Độ rọi yêu cầu trong một mơ hình VLC đặc
trưng phải thuộc trong khoảng 200-1000 lx. Hai khối điều khiển độ sáng và module
truyền thông phải tách rời nhau không ảnh hưởng đến nhau.
Khối thu: Thiết bị thu bao gồm một số thành phần: Bộ tập trung quang
(Optical concentrator), bộ lọc quang (Optical filter), bộ chuyển đổi quang điện
(Photodiode), bộ khuếch đại (Amplifier). Ánh sáng được tập trung và sau đó được
thu ở bộ chuyển đổi quang điện, từ đó chuyển đổi thành tín hiệu điện. Bộ tập trung
quang có chức năng bù lại sự suy hao trong đường truyền. Với bộ lọc quang có
chức năng lọc những tín hiệu khơng cần thiết và tín hiệu có đáp ứng chậm. Bộ
khuếch đại thực hiện khuếch đại tín hiệu để bù đắp lại sự suy hao đường truyền.


10

Hình 1.5: Sơ đồ khối của Cơng nghệ truyền thơng quang

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

11
Trong thực tế không thể sử dụng một bộ điều khiển cho từng đèn LED riêng
lẻ, vì các hệ thống chiếu sáng thơng thường có một số lượng đèn LED rất lớn. Vì
vậy, trong hệ thống VLC phải sử dụng một bộ điều khiển để điều khiển tất cả các
đèn LED và bộ điều khiển này vẫn có thể điều khiển độ sáng tại bất kỳ vị trí nào
mong muốn như thể hiện trên hình 1.6. Với các đèn LED sử dụng trong hai mục
đích chiếu sáng và truyền thơng thì các tín hiệu điều khiển độ sáng (tín hiệu từ khối
điều khiển độ sáng) và tín hiệu truyền thơng (tín hiệu từ module truyền thống) phải
độc lập, khơng gây nhiễu lên nhau, đã có rất nhiều phương pháp được đưa ra. Tuy
nhiên phương pháp điều chỉnh độ rộng xung là tối ưu nhất cho việc điều chỉnh độ
sáng và truyền thông, phương pháp này đã được sử dụng trong tiêu chuẩn IEEE
802.15.7.

1.3 Ứng dụng của công nghệ VLC
Ứng dụng trong hệ thống giao thông thông minh
VLC không chỉ được sử dụng trong mơi trường trong nhà mà nó cịn được sử
dụng ở mơi trường ngồi trời. VLC có thể được sử dụng cho giao tiếp giữa các
phương tiện giao thông hay giữa phương tiện giao thông với đèn giao thông và biển
báo hiệu…Các thông tin được gửi đi và nhận lại thông qua bộ thu phát VLC. Hệ
thống được xây dựng dựa trên mục đích như: Giúp giảm thiểu tai nạn giao thơng
khơng đáng có, truy cập internet, định vị, lập lịch ưu tiên giữa các phương tiện…
Hình 1.7 thể hiện công nghệ VLC áp dụng trong ứng dụng này.

Hình 1.7: Giao thơng thơng minh


12

Ứng dụng truyền thông trong các môi trường đặc biệt

Một số mơi trường đặc biệt như ở bệnh viện, phịng thí nghiệm, máy bay…
các thiết bị sử dụng sóng vơ tuyến điện thường bị hạn chế hoặc cấm vì sóng vô
tuyến gây ảnh hưởng nhiễu đến các thiết bị điện tử nhạy cảm ở bệnh viện hay ở máy
bay, gây nhiễu lên mạng lưới truyền thông dưới đất. Công nghệ truyền thông VLC
như là một giải pháp tối ưu để không gây ảnh hưởng nhiễu và cung cấp phương
thức truyền thơng tốc độ cao chi phí thấp. Hình 1.8 thể hiện công nghệ VLC ứng
dụng trong bệnh viện và máy bay.

Hình 1.8: Truyền thơng trong bệnh viện và máy bay

Ứng dụng truyền tin trong môi trường dưới nước
Việc truyền thông trong môi trường nước là cần thiết trong quận sự, giữa các
thiết bị do thám dưới biển, hay giữa các thợ nặn với nhau. Truyền dữ liệu bằng sóng
vơ tuyến trong mơi trường nước gặp rất nhiều khó khăn bởi độ trễ lớn và suy hao
cao. Do đó, sử dụng ánh sáng để truyền tin dưới nước là rất tiềm năng. Cơng nghệ
VLC này có thể truyền tín hiệu trong mơi trường nước với sự suy hao tín hiệu thấp,
cấu tạo bộ thu phát đơn giản với chi phí thấp. Hình 1.9 thể hiện cơng nghệ VLC áp
dụng cho truyền tin dưới nước.


13

Hình 1.9: Truyền thơng dưới nước sử dụng cơng nghệ VLC

Li-Fi
Năm 2011, giáo sư Harald Haas tại đại học Edinburgh đã đề xuất ra thuật
ngữ “Light Fidelity” hay Li-Fi, trong một buổi thuyết trình TED talk. Li-Fi là một
mạng khơng dây trong nhà sử dụng công nghệ truyền thông bằng ánh sáng nhìn
thấy VLC. Một thử nghiệm tại một văn phòng ở Tallinn, Estonia đã ghi nhận được
tốc độ truyền dữ liệu thông qua Li-Fi lên đến 224 Gigabyte mỗi giây, nhanh hơn

100 lần so với Wifi tại thời điểm hiện tại. Hình 1.10 thể hiện cơng nghệ truyền
thơng khơng dây trong nhà Li-Fi.

Hình 1.10: Cơng nghệ Li-Fi

Ứng dụng trong nhà thông minh
Với sự phát triển của IoT (Internet of Thing), ngôi nhà càng trở nên thông minh
với nhiều thiết bị truy cập internet. Cơng nghệ VLC có thể đáp ứng cung cấp kết nối
giữa các thiết bị với internet bên cạnh đó vẫn đảm bảo được yêu cầu chiếu sáng của


14
ngơi nhà. Nó là một cơng nghệ đầy tiềm năng giúp tiết kiệm năng lượng và khơng gian
an tồn trong nhà. Hình 1.11 thể hiện cơng nghệ VLC hỗ trợ nhà thơng minh.

Hình 1.11: Ứng dụng cơng nghệ VLC trong nhà thông minh

Ứng dụng trong định vị và dẫn đường
Trong một không gian trong nhà rộng lớn như siêu thị, bảo tàng, trường học,
văn phòng… việc định vị và chỉ đường là cần thiết cho các thiết bị di động và robot.
Công nghệ chiếu sáng kết hợp với công nghệ VLC sẽ giúp người dùng có thể dễ
dàng kết nối với internet, hơn thế nữa họ cịn có thể định vị vị trí đang đứng để có
thể xác định được đường đi và vị trí mục tiêu. Hình 1.12 thể hiện ứng dụng định vị
áp dụng cơng nghệ VLC.

Hình 1.12: Công nghệ VLC ứng dụng trong định vị và dẫn đường