Các mô hình mã hóa nhằm nâng cao hiệu năng cho hệ thống OCC

B GIÁO D C VÀ ÀO T O
TR
NG
I H C QUY NH N

NGUY N TH H I

CÁC MƠ HÌNH MÃ HÓA NH M NÂNG CAO
HI U N NG CHO H TH NG OCC

LU N V N TH C S K THU T VI N THƠNG

Bình

nh – N m 2021


B GIÁO D C VÀ ÀO T O
TR
NG
I H C QUY NH N

NGUY N TH H I

CÁC MƠ HÌNH MÃ HÓA NH M NÂNG CAO
HI U N NG CHO H TH NG OCC

Chuyên ngành : K thu t vi n thơng
Mã s
: 8520208

Ng

ih

ng d n: TS. NGUY N DUY THƠNG


L I CAM OAN
Tôi xin cam oan lu n v n t t nghi p v i

tài “C c mô h nh m h a

nh m nâng cao hi u n ng cho h th ng OCC”, là công tr nh nghiên c u khoa
h c c a riêng tôi,
Thông. Các s li u
ngu n h p ph p và

c th c hi n d

is h

ng d n c a Ti n s Nguy n Duy

c s d ng trong lu n v n trung th c, có trính d n t các
ng tin c y, các k t qu

t

c là chính xác và trung

th c.

B nh

nh, ngày 22 th ng 4 n m 2021
Tác gi lu n v n

Nguy n Th H i


M CL C
L I CAM OAN ............................................................................................. i
DANH M C CÁC T

VI T T T ............................................................... iv

DANH M C B NG BI U ............................................................................ vi
DANH M C HÌNH V ................................................................................ vii
L I NÓI
CH

U ................................................................................................. 1

NG 1: T NG QUAN V H TH NG TRUY N THÔNG

QUANG KHÔNG DÂY .................................................................................. 6
1.1. Gi i thi u ................................................................................................ 6
1.2. L ch s và tình hình nghiên c u hi n t i............................................... 11
1.3. Vi n c nh và các ng d ng t

ng lai cho OWC .................................. 15

1.4. K t lu n ................................................................................................. 21
CH

NG 2: CÁC THÔNG S

LIÊN QUAN VÀ CÁC V N

TRONG H TH NG OCC.......................................................................... 22
2.1. C ch màn tr p cu n và v n kho ng cách gi a các khung hình
(IFG) ............................................................................................................. 22
2.2. Hi n t

ng nh p nháy - Flicker ............................................................ 26

2.3. Mã s a l i (Error correction codes) ...................................................... 27
2.4. T c

d li u và

dài gói tin ............................................................ 27

2.5. Hi u ng Blooming, ng

ng và ROI (Region-of-Interest) .................. 29

2.6. Kho ng cách truy n .............................................................................. 31
2.7. Các thông s khác nh h

ng

n hi u su t c a OCC ......................... 31

2.8. K t lu n ................................................................................................. 32
CH

NG 3: CÁC PH

NG PHÁP MÃ HÓA NH M NÂNG CAO

HI U N NG C A H TH NG OCC ....................................................... 33
3.1. K t h p m Hamming và ph
3.1.1.

tv n

ng ph p xen k (Interleaving) ............. 33

....................................................................................... 33

3.1.2. Mơ hình k t h p mã Hamming và Interleaving.............................. 34


3.1.3. C u trúc c a gói d li u .................................................................. 36
3.1.4. Kích th

c gói, IFG và phân tích t c

d li u ............................ 37

3.1.5. Quá trình gi i mã ............................................................................ 39
3.1.6. Hi u su t c a h th ng .................................................................... 40
3.1.7. Th o lu n ........................................................................................ 45
3.2. i u ch CP N-PAM nh m nâng cao t c

d li u cho OCC ............ 46

3.2.1.

tv n

3.2.2.

xu t i u ch CP 4-PAM cho h th ng OCC ........................... 46

3.2.3. Hi n t
3.2.4. V n

....................................................................................... 46
ng nh p nháy ..................................................................... 50

bão hòa ............................................................................... 51

3.2.5. Xây d ng c u trúc gói d li u ........................................................ 54
3.2.6. Phân tích k t qu c a h th ng ....................................................... 61
3.3. K t lu n ................................................................................................. 66
CH

NG 4: H TH NG GHÉP VLC/OCC CHO CÁC D CH V H I

T C A TRUY N THÔNG ÁNH SÁNG KH KI N ............................ 67
4.1.

tv n

............................................................................................. 67

4.2. H th ng ghép VLC/OCC ..................................................................... 68
4.3. ánh giá t c

d li u và hi u su t ..................................................... 71

4.4. K t qu th nghi m ............................................................................... 73
4.5. K t lu n ................................................................................................. 79
K T LU N VÀ H

NG PHÁT TRI N ................................................... 81

TÀI LI U THAM KH O ............................................................................ 83


DANH M C CÁC T
T vi t t t

VI T T T

Ti ng Anh

Ti ng Vi t

5G

Fifth Generation

Th h di

Ab

Asynchronous bit

Bit

AWGN

Additive White Gaussian

Nhi u tr ng Gauss

ng th 5

ng b

Noise
BER

Bit Error Rate

T l l i bit

BSN

Bit Sequence Number

Bit th t

CCD

Charge Coupled Device

Linh ki n tích i n kép

CER

Character Error Rate

T l l i kí t

CMOS

Complementary Metal Oxide

Bán d n kim lo i Oxit b

Semiconductor

sung

ECC

Error Correction Code

Mã s a l i

FOV

Field of View

Ph m vi quan sát

FSO

Free Space Optical

H th ng quang trong
không gian t do

IFG

Inter Frame Gap

Kho ng gi a hai khung

IoT

Internet of Thing

Internet v n v t

IR

Infrared

Sóng h ng ngo i

IP

Internet Protocol

Giao th c Internet

IS

Image Sensor

C m bi n hình nh

LED

Light Emitting Diode

LDPC

Low Density Parity Check

i- t phát quang
Mã ki m tra m t

th p

code
MAC

Media Access Control

i u khi n truy c p
truy n

ng


M2M

Machine to Machine

Giao ti p gi a máy v i máy

OCC

Optical Camera

Truy n thơng quang camera

Communication
OOK

On-Off Keying

Khóa B t-T t

OWC

Optical Wireless

Truy n thông quang không

Communication

dây
i u ch biên

PAM

Pulse Amplitude Modulation

xung

PER

Packet Error Rate

T l l i gói

PD

Photodetector

C m bi n quang

RF

Radio Frequency

T n s vơ tuy n

SNR

Signal Noise Ratio

T l tín hi u trên nhi u

SF

Start Frame

Bit kh i

UVC

Ultraviolet Communication

Truy n thơng tia c c tím

UWB

Ultra Wideband

Truy n thơng b ng c c r ng

VLC

Visible Light Communication

Truy n thông ánh sáng kh

u khung

ki n
VPPM

WCS

WLAN

Variable Pulse Possition

i u ch v trí xung bi n

Modulation

i

Wireless Communication

H th ng truy n thông

System

không dây

Wireless Local Access

M ng c c b không dây

Network
WPAN

Wireless Personal Access

M ng truy c p cá nhân

Network

không dây


DANH M C B NG BI U
B ng 3-1: Hi u qu c a c c ph
B ng 3-2: Các c p

ng ph p m h a.......................................... 35

c a CP 4-PAM............................................................. 44

B ng 3-3: Hi u qu b ng thông gi a c c ph

ng ph p i u ch hi n t i trong

OCC so v i i u ch CP-PAM ....................................................................... 46
B ng 3- 4: Các tham s thí nghi m CP 4-PAM c a OCC ............................. 61

DANH M C HÌNH V
Hình 1- 1. Ph ánh sáng nhìn th y .................................................................... 8
Hình 1- 2. Phân lo i OWC d a trên kho ng cách truy n ............................... 16
Hình 1- 3. Cơng ngh LiFi .............................................................................. 19
Hình 2- 1: Quá trình x lý các khung li n k c a c m bi n CMOS (a) Tr
h p lý t

ng, (b) Tr

ng

ng h p th c t ............................................................. 23

Hình 2- 2: Th i gian cho m i khung hình trong m t giây .............................. 25
Hình 2- 3: S l

ng bit b m t t i IFG v i các t c

Hình 2- 4: D li u b m t khi g i tin dài h n

d li u khác nhau....... 25

dài khung ........................... 28

Hình 2- 5: Hi u ng blooming c a c m bi n hình nh ................................... 30
Hình 3- 1: H th ng OCC

xu t v i m Manchester và ph

ng ph p xen k

......................................................................................................................... 34
Hình 3- 2: M h a Hamming và ph

ng ph p xen k .................................... 35

Hình 3- 3: C u trúc gói tin c a OCC (a) G i tin
trúc g i tin

c

c

xu t trong [12] (b) C u

xu t ................................................................................. 36

Hình 3- 4: V trí c a các SF trong m t khung (a) m t SF trên m t khung, (b)
nhi u SF trong m t khung, (c) khơng có SF trong khung .............................. 38
Hình 3- 5: Hi u su t thơng tin h u ích c a h th ng

xu t ......................... 39

Hình 3- 6: Quá trình gi i mã khi d li u b m t t i IFG ................................. 40
Hình 3- 7: X lý khi SF b m t t i IFG ........................................................... 40
Hình 3- 8: Hi u su t c a h th ng OCC

xu t v i s l

ng các kh i Hamming

trong m t gói khác nhau .................................................................................. 41
Hình 3- 9: Hi u su t BER c a h th ng OCC khi k t h p gi a mã Hamming và
ph

ng ph p xen k ........................................................................................ 42


Hình 3- 10:

nh gi hi u su t c a h th ng OCC theo t s BER, CER và PER

......................................................................................................................... 43
Hình 3- 11: BER và PER

các kho ng cách khác nhau ................................ 44

Hình 3- 12: Chèn các bit l i ng u nhiên

mơ ph ng AWGN ...................... 44

Hình 3- 13: Hi u su t c a OCC khi chèn thêm các bit l i.............................. 45
Hình 3- 14: Khái ni m v OCC d a trên CP 4-PAM ..................................... 47
Hình 3- 15: CP 4-PAM

xu t (a) CP 4-PAM thông th

ng, (b) CP 4-PAM

......................................................................................................................... 48
Hình 3- 16: Tính to n

nh p nháy trong m t chu k ................................... 49

Hình 3- 17: Hình d ng xung c a tín hi u nh n

c v i các t c

c a tr p

khác nhau ......................................................................................................... 52
Hình 3- 18: V n

v

bão hịa trong h th ng OCC (a) T c

nhanh, kho ng cách ng n, (b) T c

c a tr p

c a tr p ch m, kho ng cách ng n, (c) T c

c a tr p ch m, kho ng cách xa .................................................................. 53
Hình 3- 19: M i quan h gi a t c

c a tr p và c

ng

ánh sáng nh n

c

......................................................................................................................... 54
Hình 3- 20: Gói d li u OCC cho i u ch CP-4 PAM (a) G i tin
[22], (b) G i tin

xu t trong [12], (c) G i tin

xu t trong

xu t .................................. 55

Hình 3- 21: Quá trình gi i mã c a N-PAM (a) Toàn b d li u c a m t gói con
n m trong m t khung, (b) D li u và SF b m t t i IFG, (c) Truy xu t các bit b
m t t i IFG ...................................................................................................... 56
Hình 3- 22: M t gói (Pkt-2) dài h n

dài khung cho i u ch CP-PAM OCC

......................................................................................................................... 58
Hình 3- 23: Quá trình gi i mã d li u ............................................................. 59
Hình 3- 24: Quá trình gi i m trong tr

ng h p SF b m t t i IFG................ 60

Hình 3- 25: Hi u su t c a CP 4-PAM OCC v i

dài chu i bit so sánh khác

nhau ................................................................................................................. 60


Hình 3- 26: Q trình x lý tín hi u CP 4-PAM (a) Quy t
Quy t

nh ng

ng (b)

nh m c ............................................................................................... 63

Hình 3- 27: Hi u su t BER c a CP 4-PAM OCC

i v i gói Pkt-1 .............. 64

Hình 3- 28: Hi u su t c a gói tin dài (Pkt-2) v i s l

ng bit tr khác nhau . 65

Hình 4- 1: C u trúc ghép c a h th ng VLC/OCC ......................................... 68
Hình 4- 2: Tín hi u k t h p c a h th ng ghép VLC/OCC (a) Tín hi u truy n
i, (b) Tín hi u nh n t i PD, (c) Tín hi u nh n t i IS .................................... 69
Hình 4- 3: C u trúc gói c a VLC và OCC

c

xu t cho h th ng ghép (a)

C u trúc gói c a OCC, (b) Ví d v d li u OCC, (c) D li u g i i c a h
th ng ghép VLC/OCC..................................................................................... 70
Hình 4- 4: T c

d li u c a VLC là m t hàm theo th i gian c a tín hi u OCC

(a) OCC v i VPPM 70%, (b) Tín hi u VLC v i VPPM 70%, (c) Tín hi u VLC
v i VPPM 60% ............................................................................................... 72
Hình 4- 5: S

b phát c a h th ng ghép VLC / OCC .............................. 73

Hình 4- 6: Tín hi u nh n

c t i PD ............................................................. 74

Hình 4- 7: Tín hi u OCC nh n

c t i kho ng cách 3.2 m (a) Hình nh thu

c t i IS, (b Tín hi u OCC nguyên b n, (c) Tín hi u OCC trong h th ng
ghép khi t c
t c

, (d) Tín hi u OCC trong h th ng ghép khi
............................................................................... 75

Hình 4- 8: Hi u su t c a OCC ghép v i c c

sáng khác nhau .................... 77

Hình 4- 9: Hi u su t c a h th ng OCC ghép v i các t c

d li u khác nhau

c a h th ng VLC ........................................................................................... 78
Hình 4- 10: Hi u su t c a h th ng VLC v i

sáng khác nhau c a h th ng

OCC ghép ........................................................................................................ 79


1

L I NÓI
1. Lý do ch n

U

tài

Trong nh ng n m g n ây, c c công ngh truy n thông vô tuy n ph t tri n
m nh m và

c xem là công ngh không dây c t lõi trong m ng vi n thông. Tuy

nhiên, v i s ph t tri n m nh m c a c c ng d ng b ng thông r ng, s gia t ng

c a c c thi t b di

ng c ng nh yêu c u s d ng m ng vô tuy n ngày càng cao,

làm cho c c ph b ng t n vô truy n (RF) tr nên ch t ch i và qu t i. Bên c nh
, s ng vô tuy n b h n ch s d ng m t s môi tr

ng

c thù nh b nh vi n,

sân bay, t ng h m.
Cùng v i s ph t tri n c a công ngh b n d n là s ph t tri n c a công ngh
èn LED, m y nh và công ngh truy n nh s ng kh ki n (VLC – Visible Light
Communication). Giao ti p nh s ng kh ki n
m i truy n t c
th y

cao trong môi tr

c trong kho ng 400

n i lên nh m t ph

ng th c

ng trong nhà, s d ng d li u nh s ng nh n

n 800 THz (780–375 nm). N

c xem là m t

gi i ph p b sung và thay th cho công ngh vô tuy n tr nên qu t i. Bên c nh
, VLC là cơng ngh cịn c c c tính n ng n i b t nh không nh h
kh e con ng

i, tiêu t n ít n ng l

ng

ns c

ng. VLC là m t công ngh truy n d li u s

d ng c c ngu n nh s ng nh là m t m y ph t tín hi u; khơng khí nh là mơi
tr

ng truy n d n hay kênh truy n và m t thi t b nh n tín hi u. N i chung m y

ph t th

ng là LED c th d dàng tích h p trong c c h th ng chi u s ng hi n

c , trong khi c c thi t b

phía thu là diode quang hay c m bi n h nh nh.

LED c nhi u u i m h n so v i èn hu nh quang ch ng h n nh tiêu th
n ng th p h n, tu i th cao, nhi u màu s c, vô h i v s c kh e con ng
su t chuy n

i n ng l

èn
i n

i và hi u

ng cao h n. Truy n thông m y nh s d ng nh s ng kh


2

ki n s d ng camera (OCC- Optical Camera Communication) là m t nh nh c a
truy n thông VLC, trong
OCC c t c

OCC s d ng m y nh nh m t b thu. Công ngh

d li u th p h n nhi u so v i VLC. S chênh l ch này

là do c m bi n h nh nh v i t n s
cao. Do

p ng th p khơng th nh n ra t n s tín hi u

, công ngh OCC ch phù h p v i c c ng d ng t c

tiên cho môi tr

c cho

th p h n và u

ng trong nhà. Tuy nhiên v i s tích h p c a m y nh trong h u

h t c c thi t b di

ng hi n nay, m ra m t ti m n ng cho vi c ng d ng công

ngh OCC vào th c t .
Tuy nhiên, công ngh OCC s d ng c m bi n h nh nh mang l i nhi u b t
l i v m t hi u su t khi mà hi u n ng c a h th ng l i ph thu c vào c c thông s
c m bi n h nh nh. Do

, c c ng d ng c a OCC th

ng c t c

Vi c trang b c c c m bi n h nh nh t t c th nâng cao t c
chi phí cao h n.

là lý do lu n v n ch n

nâng cao hi u n ng cho h th ng OCC”. V i

d li u th p.

d li u, tuy nhiên

tài “C c mô hình m h a nh m
tài này, lu n v n i sâu nghiên

c u c c mô h nh m h a p d ng cho h th ng OCC nh m c i thi n h n n a t c
d li u và kho ng c ch truy n.
2. T ng quan tình hình nghiên c u
Theo IEEE 802.15.7, b

c sóng quang h c c a OCC n m trong kho ng

10000m, r ng h n nhi u so v i VLC ho c RF. Tuy nhiên, t c
máy nh b gi i h n trong kho ng 30
thích h p cho các ng d ng t c

n 120 khung h nh/giây (fps). Do

d li u th p. T c

d li u có th

thi n b ng cách s d ng các c m bi n IS cơng nghi p v i t c
tuy nhiên chi phí cao.

khung hình c a
, n ch
cc i

khung hình cao,

3

Lu n v n này s
th ng v ph
c

s

ng di n kho ng cách truy n và t c

xu t

Bên c nh

xu t m t s các gi i ph p

d li u. Các gói d li u c ng

phù h p v i các ng d ng OCC kh c nhau

, m t h th ng lai nh m truy n d

photodiode và camera m t c ch
d ng èn LED

nâng cao hi u n ng h

ng th i

c

k t n i Internet.

li u m t cách linh ho t t i
xu t, vì c hai h th ng

us

phía phát.

3. M c ích và nhi m v nghiên c u
3.1. M c ích nghiên c u
Nghiên c u h th ng truy n thông máy nh s d ng ánh sáng kh ki n s
d ng camera

nâng cao hi u n ng h th ng v kho ng cách truy n và t c

li u, thơng qua vi c
gói d li u. Bên c nh
tín hi u

d

xu t c c mô h nh m h a c ng nh s a l i, c i ti n c u trúc
, lu n v n c ng s

n các h th ng v i t c

xu t m t h th ng

có th truy n

d li u khác nhau nh m ph c v các d ch v

khác nhau c a h th ng VLC và OCC.
3.2. Nhi m v nghiên c u
- Nghiên c u t ng quan v h th ng OCC.
- Nghiên c u v c ch màn tr p cu n và kho ng cách gi a các khung hình
(IFG).
- Nghiên c u s

nh h

ng c a các hi u ng c a camera

n hi u n ng c a

h th ng.
- Nghiên c u các mơ hình m h a

nâng cao hi u n ng c a OCC.

- Nghiên c u h th ng lai VLC/OCC nh m
d li u khác nhau.

p ng cho các h th ng có t c


4

it

4.

ng, ph m vi nghiên c u

- H th ng OCC.
- Mã hóa Hamming và ph

nâng cao t c

- CP N-PAM
5. Ph

ng ph p xen k bit

s a l i.

d li u OCC.

ng ph p nghiên c u
- Nghiên c u lý thuy t t ng quan, c c ph

ng th c mã hóa k t h p mơ

ph ng ki m ch ng k t qu thi t k theo lý thuy t.
- Th c hi n c c phép o th c t

nh gi kh n ng c a h th ng.

6. Ý ngh a khoa h c và th c ti n
Lu n v n là tài li u
n h th ng và c c ph
Qua nghiên c u

nghiên c u v h th ng OCC, c c v n
ng ph p m h a

c i m c a h th ng và

a

ng d ng trong th c t cu c s ng. Vi c t n d ng c c ngu n

s ng t i b ph n ph t r t a d ng trong cu c s ng nh

èn LED, LED ma tr n

màu, LED bi n báo, m u hình nh, èn giao thông, èn tr
ph

ng

nâng cao hi u n ng c a h th ng.

t m bi n ph p kh c ph c c c nh

ra mô h nh k t h p

nh h

c, èn sau c a các

ng ti n giao thông, ng d ng trên c c thi t b di d ng, internet

hi u. Trong ph m vi

tài nghiên c u

Internet trong nhà, dùng

truy n tín

tri n khai trong vi c truy n tín hi u

nh v thi t b trong nhà.

7. C u trúc c a lu n v n
Lu n v n
- Ch

c chia thành b n ch

ng v i c c n i dung chính sau ây:

ng 1: Tr nh bày v t ng quan c a c c h th ng truy n thông không

dây, c c h th ng truy n thông không dây s d ng nh s ng nh n th y, t nh h nh
nghiên c u hi n t i c ng nh kh n ng ng d ng c a công ngh này trong th c t .

5

- Ch

ng 2: Phân tích c c thơng s t c

OCC, c ng nh c c ràng bu c làm nh h
- Ch

ng

ng

n hi u n ng c a h th ng

n h th ng.

ng 3: Trình bày hai mơ h nh m h a nh m nâng cao hi u su t c a h

th ng.
- Ch

ng 4:

cao VLC và t c

c p

n mô h nh lai ghép nh m tích h p h th ng t c

th p OCC trên cùng m t h th ng v i duy nh t m t b ph t.

M c ích là nh m tri n khai c c ng d ng c a hai công ngh trên cùng m t n n
t ng, làm

n gi n h th ng chi u s ng khi hai công ngh

c tri n khai trong

th c t .
Do hi u bi t còn h n ch nên lu n v n không tr nh kh i nh ng thi u s t.
Tôi mong nh n

c s g p ý c a c c th y, cơ

lu n v n

c hồn thi n h n.


6

CH

NG 1: T NG QUAN V H TH NG TRUY N THÔNG

QUANG KHÔNG DÂY
1.1. Gi i thi u
Trong th p k qua, th gi i

ch ng ki n s gia t ng l u l

ng truy c p

c a các m ng vi n thông bao g m c m ng không dây. Nhu c u ngày càng t ng
c a các d ch v internet b ng thông r ng

thúc

y nhu c u

i m i, nghiên c u

và phát tri n h n n a các công ngh truy n thơng m i có kh n ng cung c p t c
d li u c c cao. Công ngh không dây là m t trong b

c nh y l n nh t trong

l ch s phát tri n công ngh , hi n th c hóa gi c m giao ti p c a con ng

it m i

n i, m i lúc. Trong khi truy n thông b ng gi ng nói là d ch v chính c ch ây
m

i n m. D li u không dây và Internet di

nhi u n i dung a ph
không dây

thay

ng

tr nên ph bi n r ng rãi v i

ng ti n phong phú h n. C c thi t b , ng d ng và d ch v
i hoàn toàn cách chúng ta s ng, làm vi c và giao ti p xã h i.

Các ng d ng m i ang ph t tri n ang t o ra m t nhu c u l n h n n a v cung
c p d li u di

ng. D ki n l u l

ng d li u di

ng s t ng g p 3 l n vào n m

2020 so v i n m 2010, trong khi ph t n cho các d ch v di
ôi [17].

ây c ng

nh ng v n

ang

ng s t ng g n g p

c xem nh là cu c kh ng ho ng ph di

ng, m t trong

c gi i quy t trong giao ti p không dây th h di

ng th

n m (5G) [3]. Khái ni m m i n i v Internet v n v t (IoT), s giao ti p gi a máy
v i máy (M2M), h a h n h n n a là k t n i không dây gi a các v t th t nhiên
và nhân t o, các c m bi n, v.v. trong môi tr
máy v i ng

i. i u này s thay

ng th c, c a giao ti p gi a máy và

i h n n a c ch chúng ta t

ng t c v i th gi i

và làm cho truy n thông không dây tr thành m t ph n không th thi u c a cu c
s ng con ng

i.


7

Ngày nay, thu t ng “không dây”

c s d ng r ng rãi, n

c xem nh

ng ngh a c a công ngh t n s vô tuy n (RF). B ng t n RF n m trong

m tt

kho ng t 30 kHz

nghiêm ng t b i chính quy n
c p phép

c quy

nh

ng và qu c t . a s c c b ng t n con

c

n 300 GHz c a ph
a ph

i n t , vi c s d ng n

c quy n cho c c nhà khai th c nh nhà khai th c i n tho i di

ng,

ài truy n hình, liên k t vi ba i m- i m. Hi n nay, công ngh RF tr nên quá t i,
do

d n

n t c ngh n ph (ho c nút c chai). Nh ng tình hu ng x y ra nh ng

n ic m t

ng

i s d ng cao và có th d n

n tình tr ng h n ch truy c p.

Các h th ng truy n thông không dây d a trên RF (WCS) hi n t i b
b i hi u ng a

ng trong môi tr

ng ô th dày

c, làm gi m hi u su t

truy n. B ng thông h n ch c a các h th ng này cùng v i hi n t
ph gây kh kh n trong vi c cung c p các kênh truy n ch t l
khu v c nh t
khơng

nh. V n

b ng thơng

tính r ng h n 70% l u l

này th

tin c y cao

ng
ng

ng t c ngh n

ng cao trong m t

ng x y ra h n v i các ng d ng trong nhà, n i

chia s cho m t s l

ng l n ng

i dùng. Ng

ng truy c p không dây di n ra trong mơi tr

nhà (tịa nhà, v n phịng). Do

nh h

i ta

c

ng trong

, c n ph i có các cơng ngh v i chi phí th p và

t o ra m t WCS thông su t

môi tr

ng trong nhà.

Lo i b các công ngh d a trên RF ho c s d ng m t gi i pháp thay th là
hai l a ch n duy nh t có th . B t k công ngh nào (t c là 3G, 4G, 5G ho c WiFi) ang

c áp d ng, ch có ba cách ti p c n

vơ tuy n khơng dây: (i)

t ng dung l

a ra m t ph t n m i và do

ng c a h th ng

c thêm nhi u b ng thông

h n, (ii) là nhi u nút h n, (iii) là lo i b nhi u và t n d ng l i t n s các tài nguyên
t n s s n có. Vi c c

c m t ph t n m i là r t t n kém và vi c tìm ki m thêm

b ng thông không ph i là v n
Các nút b sung có th

c

l n nh ng rõ ràng là ch a

- nó là h u h n.

a vào b ng cách chia thành các ô nh h n, tuy


8

nhiên i u này khá t n kém. Ngoài ra, hai nút c ng không th cung c p g p ơi
dung l

ng do các v n

v nhi u. Ngồi ra, vi c t ng g p ôi c s h t ng s

không

ng ngh a v i vi c t ng g p ôi doanh thu. Cu i cùng, hi u qu quang ph

c a công ngh không dây

c c i thi n trong nh ng n m qua, nh ng n b

ch m l i h n 20% trong nh ng n m g n ây. V y v lâu dài, âu là gi i pháp cho
m ng khơng dây?
M t cơng ngh m i có th gi i quy t và kh c ph c nh ng h n ch này là
giao ti p quang không dây (OWC), cung c p b ng thông không gi i h n, th c t
lên

n 400 THz, bao g m c c c b ng t n ph nh h ng ngo i (IR), kh ki n

(VL) và tia c c tím (UV) , nh trong H nh 1-1.

Hình 1-1. Ph ánh sáng nhìn th y

Vi c s d ng c c b ng t n này cho m c ích liên l c mang l i c h i duy
nh t, mà cho
n ng v

n nay v n ch a

c khám phá. So v i RF, OWC [18] có các tính

t tr i nh b ng thơng siêu r ng, kh n ng ch ng nhi u i n t , kh n ng


9

tái s d ng t n s (ho c b

c sóng) g n nh khơng gi i h n. H n n a, vì các cơng

c v n hành trong ph khơng

ngh OWC có th
c u phí c p phép, do

OWC

c xem là m t gi i pháp hi u qu v chi phí cho

ng d ng. Ví d trong mơi tr

m ts
ch

c ki m sốt, nên khơng u

ng trong nhà, liên k t khơng dây có th

ng l i r t nhi u t t l tín hi u trên nhi u cao so v i vi c s d ng tr m

g c ngoài tr i d a trên RF công su t cao

cung c p d ch v . Do

c n h p lý s là s d ng hi u qu các tr m g c RF
tr i, c th là ng
dùng di

i dùng di

ph c v ng

, c ch ti p
i dùng ngoài

ng, di chuy n nhanh và s d ng èn LED cho ng

i

ng ch m, trong nhà. Cách ti p c n này cung c p b n tính n ng chính:

(i) hồn toàn tránh s can thi p gi a ng

i dùng ngồi tr i và trong nhà, (ii) khơng

b nhi u, tr m g c RF công su t th p h n, (iii) s d ng hi u qu nh t các tài
nguyên truy n d n không dây, (iv) c i thi n tr i nghi m ng

i dùng và gi m chi

phí.
Trong h th ng OWC, vi c i u ch /gi i i u ch là tr c ti p vì h th ng
khơng có sóng ho c ng ten, do

vi c b sung thêm nhi u nút là

n gi n vì

chúng khơng gây nhi u nh trong c c h th ng d a trên RF. V i ngu n tài nguyên
phong phú, hi u su t quang ph trong OWC ít nh y h n và nh ng g
tri n cho hi u qu ph RF có th

c s d ng. Thu t ng OWC

trình truy n d n quang trong môi tr

ng, không

c a nó ho t
nhau nh

ng d a trên b

nh h

c p

c sóng (t n s ), có th có các cách s d ng khác

ng

ng trong d i t n

c g i là giao ti p ánh sáng kh ki n (VLC). H

th ng VLC t n d ng l i th c a c laze i- t và èn LED, c th b t và t t
r t cao mà khơng có b t k

và m t ng

n q

ng m c dù các bi n th

c trình bày trong ph n sau. H th ng OWC ho t

kh ki n (390–750 nm) th

c phát

nh h

ng

ng chú ý nào

t c

n ánh sáng xung quanh

i. Vi c s d ng nhi u èn LED kh ki n cho m c ích chi u sáng,


10

truy n d li u và nh v trong nhà là m t cách ti p c n b n v ng và ti t ki m n ng
l

ng và là m t cu c cách m ng ti m n ng trong vi c s d ng èn trong t

c a nhân lo i. VLC cho truy n thông d li u có th

ng lai

c s d ng r ng rãi cho m t

lo t các ng d ng bao g m i m truy c p không dây, m ng c c b không dây,
m ng cá nhân không dây và nh ng ng d ng khác.
M t khác, các h th ng OWC i m- i m trên m t

t, cịn

th ng quang khơng gian t do (FSO) [25]. Các h th ng này th

c g i là h

ng s d ng máy

phát laser và cung c p m t liên k t hi u qu v chi phí, v i t c
kho ng là 10 Gbps trên m i b

d li u cao,

c sóng và cung c p gi i pháp ti m n ng nh m gi i

quy t tình tr ng nút th t c chai [10]. H th ng FSO d a trên LED
báo, khi mà t c

cd

truy n d li u b ng VLC b h n ch và ph thu c nhi u vào

kho ng c ch và i u ki n khí quy n. Kho ng truy n ph thu c vào góc chi u x
c a ánh sáng nhìn th y. N u khơng c

nh h

ng chính xác gi a máy phát và

máy thu, vi c truy n d li u không gian t do s d ng VLC có t c
i th p. Trong các ng d ng ngồi tr i, t
FSO ph i

ng t nh cơng ngh RF,

i m t v i m t s thách th c mà s

rãi c a nó. Nh ng thách th c này liên quan
nhi u

bit t

ng) và s l c l c a tòa nhà, i u này s

nh h

ng

ng truy n

n vi c s d ng r ng

n i u ki n khí quy n (s
nh h

ng truy n b t c lúc nào. Tuy nhiên, nh ng v n

ng

ng

ng mù,

n tính kh d ng c a

này có th

c kh c ph c

b ng cách s d ng k t h p FSO và liên k t vô tuy n RF. M c dù ch y u là áp
d ng cho các ng d ng ngoài tr i, tuy nhiên FSO c ng c th
môi tr

ng trong nhà

c s d ng trong

cung c p k t n i c b ng thông cao trong c c mô h nh a

i m. ây là m t gi i pháp tuy t v i

b t c u các k t n i cáp quang v i m t s

i m trong các khu v c r ng l n mà không c n ph i i u ch nh l i c s h t ng.
Theo ngh a này, FSO c ng c th cung c p các gi i pháp t t nh t

tri n khai và


11

thay th h th ng cáp quang trong tòa nhà hi n
trò quan tr ng cho m t xu h

i. N c ng c th

ng nghiên c u

vô tuy n k t h p FSO, có nhi u i m t

ng

h p v i h th ng quang

c

làm

c tr

Ngày càng có nhi u s quan tâm

ng m t vai

và ang ph t tri n khác v sóng
ng v i các h th ng vô tuy n k t
.

n truy n thơng tia c c tím (UVC) do k t

qu c a nh ng ti n b g n ây c a các ngu n phát/máy dò quang h c tr ng thái
r n ho t

ng trong quang ph UV (200–280 nm). Trong d i UV sau này, b c x

m t tr i là không

ng k

m t

t và i u này có th t o ra thi t k c a máy dò

m photon v i ph m vi quan sát r ng (Field of View- FOV) c a m y thu
n ng l

ng nh n

c, v i ít nhi u h n. Nh ng thi t k nh v y

cho các mơ hình khơng nhìn th ng ngồi tr i (non light-of-sight)

t ng

c bi t h u ích
h tr UVC

t m ng n, công su t th p nh trong c m bi n không dây và m ng ad hoc.
1.2. L ch s và tình hình nghiên c u hi n t i
Báo hi u thơng qua khói, ng n l a, èn hi u, ng n u c và ánh sáng m t
tr i có th

c xem là các hình th c

u tiên c a truy n thông OWC. Vi c s

d ng ánh sáng cho m c ích giao ti p là do nh ng ng
a ra b ng cách s d ng nh ng chi c khiên
m t tr i nh m

a ra nh ng thông i p

th k 19, máy bay tr c th ng
thi t b này s d ng m t c p g

i Hy L p và La Mã c

nh b ng c a h

i

chi u ánh sáng

n gi n trong các tr n chi n. Vào cu i

c s d ng ph bi n trong liên l c quân s . Các
ng

h

ng m t chùm nh s ng

c ki m soát

n m t tr m xa. Máy bay tr c th ng v n là m t ph n c a thi t b truy n tín hi u
chi n thu t cho

n

u th k XX. M t c t m c l ch s kh c trong l nh v c OWC

là chi c photophone do Alexander Graham Bell ph t minh. N m 1880, Bell
th truy n tín hi u tho i b ng tín hi u quang h c

c

kho ng cách 200 m. Thi t l p

12

thí nghi m
g

n gi n c a anh y d a trên nh ng rung

ng m y ph t. C c rung

ng

ng do gi ng nói gây ra trên

c ph n x và chi u b i ánh sáng m t tr i và

chuy n tr l i thành gi ng nói m y thu. Photophone ch a bao gi xu t hi n d
d ng s n ph m th

ng m i, nh ng s quan tâm c a quân

v n ti p t c và èn h quang cao p

i

i

i v i photophone

c s d ng làm ngu n s ng

thi t l p

giao ti p b ng gi ng nói.
Trong các th k sau này, truy n thông RF và c p quang
nhanh và chi m l nh th tr
FSO ban

u

ph t tri n r t

ng vi n thơng tồn c u. Tuy nhiên, m t s thí nghi m

c quan tâm trong l ch s ,

c ghi l i vào

u nh ng n m 1960

n 1970. Vào th ng 7 n m 1960, ch vài tháng sau l n công b
Helium-Neon (He-Ne) 632,8 nm ang ho t

ng, Bell Labs

u tiên v laser
c th truy n tín

hi u i xa 40 km b ng cách s d ng laser ruby [10]. Vào th ng 11 n m 1962,
Hughes Research Labs

s d ng tia laser He-Ne

c kích thích b i m t máy

phát vô tuy n nghi p d HF và g i tín hi u tho i qua kho ng cách 30 km. M t b
nh n quang
l c thơng cao

c s d ng

phát hi n tín hi u ánh sáng i u ch biên

c s d ng

gi m nh h

5 n m 1963, m t liên k t truy n d n t
i u ch gi ng n i

ng c a hi n t

và b

ng x hình. Vào tháng

ng t s d ng chùm tia laze He – Ne

c thi t l p, v i kho ng cách liên k t

c

c m r ng lên

190 km. Vi c truy n qua TV b ng laser v i b ng thông i u ch là 1,7 và 5 MHz
c Hughes l n l

t

t

c vào n m 1963. Liên k t giao ti p laser He-Ne

632,8 nm song công trên t ng kho ng c ch 14 km,

c xây d ng t i Nh t B n

b i Công ty Nippon Electric vào kho ng n m 1970, là liên k t FSO
l ul

ng th

ng m i. Danh s ch

giai o n 1960-1970

y

u tiên x lý

các cu c th nghi m c a OWC trong

c báo cáo trong [10]. Tuy nhiên, các k t qu nói chung

là khơng nh k v ng do s phân k l n c a chùm tia laser và khơng có kh n ng


13

ch ng l i các nh h

ng c a khí quy n. V i s phát tri n c a s i quang trong

nh ng n m 1970, chúng
quang

tr thành s l a ch n hi n nhiên cho vi c truy n d n

kho ng cách xa và chuy n tr ng tâm ra kh i h th ng OWC. Tuy nhiên,

s phát tri n c a chúng không d ng l i trong các ng d ng quân s và trong các
phịng thí nghi m khơng gian, ch y u là C quan V tr Châu Âu (ESA) và C
quan Hàng không và V tr Qu c gia (NASA). Ví d nh d án th nghi m Liên
l c Laser trên Sao H a (MLCD)

c NASA d

nh kh i

thi t l p m t kênh thông tin liên l c b ng laser gi a Tr i

truy n lên

ng vào n m 2009,
t và Sao H a v i t c

n 10 Mbps. D án th nghi m liên l c Laser M t tr ng (LLCD),

do NASA tài tr , nh m m c ích th nghi m h th ng liên l c laser trong không
gian t do

u tiên trên th gi i có th ho t

km, l n h n m
cho

n nay. N

622 Mbps) t qu

ng trong ph m vi kho ng 400.000

i l n so v i ph m vi g n Tr i

t t ng

c

c ch ng minh

ch ng minh kh n ng liên l c b ng laser t c

o M t Tr ng t i thi t b

u cu i trên Tr i

cao (lên

n

t.

Song song v i các nghiên c u ng d ng trong không gian và nh ng ti n b
t

c trong công ngh ch t o các b ph n c m bi n và truy n d n quang,

OWC c ng ngày càng

c chú ý trong các ng d ng quân s do tính b o m t

cao. Kh n ng thâm nh p th tr

ng c a OWC v n còn h n ch , ngo i tr IrDA

tr thành gi i pháp truy n d n t m ng n không dây r t thành công vào nh ng
n m 1990 và m t s thành công c a kênh truy n FSO,
mà vi c l p
k

t cáp quang không kh thi. Vào nh ng n m 1990, s quan tâm

i v i vi c s d ng FSO dân s

c u ngày càng t ng v t c
l

c bi t là kênh d phòng

xu t hi n, i u này

d li u cao h n và yêu c u

ng cao h n t c c kh ch hàng th

ng m i.

c thúc
iv i

ng

y b i nhu

ng truy n ch t

c bi t, FSO có th giúp các nhà

cung c p d ch v cho khách hàng mà khơng ph i tr phí tri n khai cáp quang. Th


14

tr

ng FSO này sinh ra nhi u công ty s n xu t, ví d : Lightpointe, MRV,

CableFree và MOSTCOM, và r t nhi u h th ng FSO th
k và s n xu t. M t trong s chúng cho phép truy n v i t c
Gbps và kho ng c ch lên

n vài km. N m 2012, th tr

b s d ng trong h th ng truy n thông FSO th
tr

c. Các d báo hi n t i v th tr

ng m i

c thi t

d li u lên

n vài

ng toàn c u cho các thi t

ng m i

t ng 13% so v i n m

ng cho các h th ng FSO th

ng m i s t ng

cao trong c c n m ti p theo.
Trong th p k qua,

c r t nhi u nghiên c u

c a h th ng FSO trong mơi tr

ng có nhi u

c i thi n hi u su t

ng khí quy n và c c t c

ng b t

truy n 10 Gbps

c xây

l i c a th i ti t [15]. Các h th ng FSO v i t c
d ng và t c

ng k

c a các h th ng FSO th nghi m g n ây c th c nh tranh v i

ng truy n cáp quang. Các h th ng FSO hi u su t cao
k t n i v i các m ng không dây th h ti p theo

c mong ch s

c

cung c p k t n i li n m ch v i

h th ng cáp quang.
c bi t trong nh ng n m g n ây, v i s xu t hi n c a công ngh VLC
trong vi c chi u sáng, truy n d li u và
u cho th y nh ng h a h n trong t

nh v trong nhà, th tr

ng OWC

b t

ng lai [9]. S xu t hi n c a VLC trên th c

t là k t qu c a s phát tri n g n ây c a công ngh bán d n. Các th h

èn LED

bán d n m i c c c tính n ng u vi t nh tu i th cao, kh n ng ch u

m cao,

tiêu th

i n n ng th p h n. B ng èn s i

t, èn hu nh quang d n

b ng các công ngh chi u sáng ti t ki m i n; do
LED s là ngu n sáng t i u trong t
KEIO t i Nh t B n
cho

, ng

i ta d

c thay th
o n r ng èn

ng lai g n. N m 2000, nh m nghiên c u

a ra kh i ni m r ng èn LED tr ng có th

ng truy n khơng dây trong nhà. Và sau

c s d ng

là ph t tri n lý thuy t c b n và