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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

NGUYỄN THỊ HẢI

CÁC MƠ HÌNH MÃ HĨA NHẰM NÂNG CAO
HIỆU NĂNG CHO HỆ THÓNG OCC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THƠNG

Bình Định - Năm 2021


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

NGUYỄN THỊ HẢI

CÁC MƠ HÌNH MÃ HĨA NHẰM NÂNG CAO
HIỆU NĂNG CHO HỆ THĨNG OCC

Chun ngành : Kỹ thuật viễn thơng
Mã số
: 8520208

Người hướng dẫn: TS. NGUYỄN DUY THÔNG


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp với đề tài “Các mơ hình mã hóa
nham nâng cao hiệu năng cho hệ thống OCC”, là cơng trình nghiên cứu khoa

học của riêng tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Duy
Thông. Các số liệu được sử dựng trong luận văn trung thực, có trính dẫn từ các
nguồn hợp pháp và đáng tin cậy, các kết quả đạt được là chính xác và trung thực.

Bình Định, ngày 22 tháng 4 năm 2021
lác giả luận vãn

Nguyễn Thị Hải


MỤC LỤC


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

5G

Fifth Generation

Thế hệ di động thứ 5

Ab

Asynchronous bit

Bit đồng bộ

AWGN

Additive White Gaussian

Nhiễu trắng Gauss

Noise
BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ lỗi bit

BSN

Bit Sequence Number

Bit thứ tự

CCD

Charge Coupled Device

Linh kiện tích điện kép

CER

Character Error Rate

Tỉ lệ lỗi kí tự

CMOS

Complementary Metal Oxide

Bán dẫn kim loại Oxit bo

Semiconductor

sung

ECC

Error Correction Code

Mã sửa lỗi

FOV

Field of View

Phạm vi quan sát

FSO

Free Space Optical

Hệ thống quang trong không

gian tự do

IFG

Inter Frame Gap

Khoảng giữa hai khung

IoT

Internet of Thing

Internet vạn vật

IR

Infrared

Sóng hồng ngoại

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

IS

Image Sensor

Cảm biến hình ảnh

LED

Light Emitting Diode

Đi-ốt phát quang

LDPC

Low Density Parity Check

Mã kiếm tra mật độ thấp

code
MAC

Media Access Control

Điều khiến truy cập đường
truyền


M2M

Machine to Machine

Giao tiếp giữa máy với máy

OCC

Optical Camera

Truyền thông quang camera

Communication
OOK

On-Off Keying

Khóa Bật-Tắt

OWC

Optical Wireless

Truyền thơng quang khơng

Communication

dây

PAM

Pulse Amplitude Modulation

Điều chế biên độ xung

PER

Packet Error Rate

Tỉ lệ lỗi gói

PD

Photodetector

Cảm biến quang

RF

Radio Frequency

Tần số vơ tuyến

SNR

Signal Noise Ratio

Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu

SF

Start Frame

Bit khởi đầu khung

UVC

Ultraviolet Communication

Truyền thông tia cục tím

UWB

Ultra Wideband

Truyền thơng băng cục rộng

VLC

Visible Light Communication

Truyền thơng ánh sáng khả
kiến

VPPM

Variable Pulse Possition

Điều chế vị trí xung biến đổi

Modulation
WCS
WLAN

Wireless Communication

Hệ thống truyền thông

System

không dây

Wireless Local Access

Mạng cục bộ không dây

Network
WPAN

Wireless Personal Access

Mạng truy cập cá nhân

Network

không dây

DANH MỤC BẢNG BIỂU
•



DANH MỤC HÌNH VẼ
•

Hình 4- 7: Tín hiệu OCC nhận được tại khoảng cách 3.2 m (a) Hình ảnh thu được
tại IS, (b Tín hiệu OCC nguyên bản, (c) Tín hiệu OCC trong hệ thống ghép khi tốc

độ RVLC — 100 kbps, (d) Tín hiệu OCC trong hệ thống ghép khi tốc độ RVLC — 400
kbps............................................................................................................................. 75


9

LỜI NÓI ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong những năm gần đây, các công nghệ truyền thông vô tuyến phát trien
mạnh mẽ và được xem là công nghệ không dây cốt lõi trong mạng viễn thông. Tuy
nhiên, với sự phát trien mạnh mẽ của các ứng dụng băng thông rộng, sự gia tăng
của các thiết bị di động cũng như yêu cầu sử dụng mạng vô tuyến ngày càng cao,
làm cho các pho băng tần vô truyen (RF) trở nên chật chội và q tải. Bên cạnh đó,
sóng vơ tuyến bị hạn chế sử dựng ở một số môi trường đặc thù như bệnh viện, sân
bay, tầng hầm.
Cùng với sự phát trien của công nghệ bán dẫn là sự phát trien của công nghệ
đèn LED, máy ảnh và công nghệ truyền ánh sáng khả kiến (VLC - Visible Light
Communication). Giao tiếp ánh sáng khả kiến đã noi lên như một phương thức mới
truyền tốc độ cao trong môi trường trong nhà, sử dựng dữ liệu ánh sáng nhìn thấy
được trong khoảng 400 đến 800 THz (780-375 nm). Nó được xem là một giải pháp
bo sung và thay thế cho công nghệ vơ tuyến trở nên q tải. Bên cạnh đó, VLC là
cơng nghệ cịn có các tính năng nỗi bật như không ảnh hưởng đến sức khỏe con
người, tiêu tốn ít năng lượng. VLC là một công nghệ truyền dữ liệu sử dụng các
nguồn ánh sáng như là một máy phát tín hiệu; khơng khí như là mơi trường truyền
dẫn hay kênh truyền và một thiết bị nhận tín hiệu. Nói chung máy phát thường là
LED có the dễ dàng tích hợp trong các hệ thống chiếu sáng hiện có, trong khi các
thiết bị ở phía thu là diode quang hay cảm biến hình ảnh. Đèn LED có nhiều ưu
điếm hơn so với đèn huỳnh quang chang hạn như tiêu thụ điện năng thấp hơn, tuoi
thọ cao, nhiều màu sắc, vô hại về sức khỏe con người và hiệu suất chuyến đoi năng
lượng cao hơn. Truyền thông máy ảnh sử dụng ánh sáng khả kiến sử dụng camera

(OCC- Optical Camera Communication) là một nhánh của truyền thơng VLC, trong
đó OCC sử dụng máy ảnh như một bộ thu. Công nghệ OCC có tốc độ dữ liệu thấp
hơn nhiều so với VLC. Sự chênh lệch này được cho là do cảm biến hình ảnh với tần


10

số đáp ứng thấp không the nhận ra tần số tín hiệu cao. Do đó, cơng nghệ OCC chỉ
phù hợp với các ứng dụng tốc độ thấp hơn và ưu tiên cho mơi trường trong nhà. Tuy
nhiên với sự tích hợp của máy ảnh trong hầu hết các thiết bị di động hiện nay, mở ra
một tiềm năng cho việc ứng dụng công nghệ OCC vào thực tế.
Tuy nhiên, công nghệ OCC sử dụng cảm biến hình ảnh mang lại nhiều bất lợi
về mặt hiệu suất khi mà hiệu năng của hệ thống lại phụ thuộc vào các thông số cảm
biến hình ảnh. Do đó, các ứng dụng của OCC thường có tốc độ dữ liệu thấp. Việc
trang bị các cảm biến hình ảnh tốt có the nâng cao tốc độ dữ liệu, tuy nhiên chi phí
cao hơn. Đó là lý do luận văn chọn đề tài “Các mơ hình mã hóa nhằm nâng cao
hiệu năng cho hệ thống OCC”. Với đề tài này, luận văn đi sâu nghiên cứu các mơ
hình mã hóa áp dụng cho hệ thống OCC nham cải thiện hơn nữa tốc độ dữ liệu và
khoảng cách truyền.
2. Tống quan tình hình nghiên cứu
Theo IEEE 802.15.7, bước sóng quang học của OCC nam trong khoảng
10000 q m, rộng hơn nhiều so với VLC hoặc RF. Tuy nhiên, tốc độ khung hình của
máy ảnh bị giới hạn trong khoảng 30 đến 120 khung hình/giây (fps). Do đó, nó chỉ
thích hợp cho các ứng dụng tốc độ dữ liệu thấp. Tốc độ dữ liệu có the được cải thiện
bằng cách sử dụng các cảm biến IS công nghiệp với tốc độ khung hình cao, tuy
nhiên chi phí cao.
Luận văn này sẽ đề xuất một số các giải pháp đế nâng cao hiệu năng hệ
thống về phương diện khoảng cách truyền và tốc độ dữ liệu. Các gói dữ liệu cững sẽ
được đề xuất đe phù hợp với các ứng dựng OCC khác nhau đe kết nối Internet. Bên
cạnh đó, một hệ thống lai nham truyền dữ liệu một cách linh hoạt tới photodiode và

camera một cách đồng thời được đề xuất, vì cả hai hệ thống đều sử dựng đèn LED ở
phía phát.
3. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu


11

3.1.

Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu hệ thống truyền thơng máy ảnh sử dụng ánh sáng khả kiến sử
dựng camera đe nâng cao hiệu năng hệ thống về khoảng cách truyền và tốc độ dữ
liệu, thông qua việc đề xuất các mơ hình mã hóa cũng như sửa lỗi, cải tiến cấu trúc
gói dữ liệu. Bên cạnh đó, luận văn cũng sẽ đề xuất một hệ thống đe có the truyền tín
hiệu đến các hệ thống với tốc độ dữ liệu khác nhau nhằm phục vụ các dịch vụ khác
nhau của hệ thống VLC và OCC.
3.2.

Nhiệm vụ nghiên cứu

-

Nghiên cứu tổng quan về hệ thống OCC.

-

Nghiên cứu về cơ chế màn trập cuộn và khoảng cách giữa các khung hình
(IFG).

-

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các hiệu ứng của camera đến hiệu năng của hệ
thống.

-

Nghiên cứu các mơ hình mã hóa đe nâng cao hiệu năng của OCC.

-

Nghiên cứu hệ thống lai VLC/OCC nham đáp ứng cho các hệ thống có tốc
độ dữ liệu khác nhau.

4. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
-

Hệ thống OCC.

-

Mã hóa Hamming và phương pháp xen kẽ bit đe sửa lỗi.

-

CP N-PAM để nâng cao tốc độ dữ liệu OCC.

5. Phương pháp nghiên cứu
-

Nghiên cứu lý thuyết tong quan, các phương thức mã hóa kết hợp mơ phỏng
kiếm chứng kết quả thiết kế theo lý thuyết.

-

Thực hiện các phép đo thực tế đe đánh giá khả năng của hệ thống.

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Luận văn là tài liệu đe nghiên cứu về hệ thống OCC, các van đề ảnh hưởng
đến hệ thống và các phương pháp mã hóa đe nâng cao hiệu năng của hệ thống. Qua


12

nghiên cứu đe tìm biện pháp khắc phục các nhược điếm của hệ thống và đưa ra mơ
hình kết hợp đe ứng dụng trong thực tế cuộc sống. Việc tận dựng các nguồn sáng tại
bộ phận phát rất đa dạng trong cuộc sống như đèn LED, LED ma trận màu, LED
bien báo, mẫu hình ảnh, đèn giao thơng, đèn trước, đèn sau của các phương tiện
giao thông, ứng dụng trên các thiết bị di dộng, internet đe truyền tín hiệu. Trong
phạm vi đề tài nghiên cứu đe trien khai trong việc truyền tín hiệu Internet trong nhà,
dùng đe định vị thiết bị trong nhà.
7. Cấu trúc của luận văn
Luận văn được chia thành bốn chương với các nội dung chính sau đây:
-

Chương 1: Trình bày về tong quan của các hệ thống truyền thông không dây,
các hệ thống truyền thông khơng dây sử dụng ánh sáng nhìn thấy, tình hình
nghiên cứu hiện tại cũng như khả năng ứng dụng của cơng nghệ này trong
thực tế.

-

Chương 2: Phân tích các thơng số tác động đến hiệu năng của hệ thống OCC,
cũng như các ràng buộc làm ảnh hưởng đến hệ thống.

-

Chương 3: Trình bày hai mơ hình mã hóa nham nâng cao hiệu suất của hệ
thống.

-

Chương 4: Đe cập đến mô hình lai ghép nham tích hợp hệ thống tốc độ cao
VLC và tốc độ thấp OCC trên cùng một hệ thống với duy nhất một bộ phát.
Mục đích là nhằm trien khai các ứng dụng của hai công nghệ trên cùng một
nền tảng, làm đơn giản hệ thống chiếu sáng khi hai cơng nghệ được trien
khai trong thực tế.

Do hiếu
thiếu
sót.
biết
Tơi
cịn
mong
hạn
nhận
chế hơn.
nên luận
được

sự góp
vănýkhơng
của các
tránh
thầy,
khỏi
cơnhững
đe
luận
văn
được
hồn
thiện


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÈ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG

QUANG KHÔNG DÂY
1.1. Giới thiệu
Trong thập kỷ qua, thế giới đã chứng kiến sự gia tăng lưu lượng truy cập của
các mạng viễn thông bao gồm cả mạng không dây. Nhu cầu ngày càng tăng của các
dịch vụ internet băng thông rộng đã thúc đấy nhu cầu đoi mới, nghiên cứu và phát
tri en hơn nữa các công nghệ truyền thông mới có khả năng cung cấp tốc độ dữ liệu
cực cao. Công nghệ không dây là một trong bước nhảy lớn nhất trong lịch sử phát
tri en công nghệ, hiện thực hóa giấc mơ giao tiếp của con người từ mọi nơi, mọi
lúc. Trong khi truyền thơng bang giọng nói là dịch vụ chính cách đây mười năm.
Dữ liệu khơng dây và Internet di động đã trở nên pho biến rộng rãi với nhiều nội
dung đa phương tiện phong phú hơn. Các thiết bị, ứng dụng và dịch vụ không dây
đã thay đoi hoàn toàn cách chúng ta sống, làm việc và giao tiếp xã hội. Các ứng
dựng mới đang phát tri en đang tạo ra một nhu cầu lớn hơn nữa về cung cấp dữ liệu

di động. Dự kiến lưu lượng dữ liệu di động sẽ tăng gấp 3 lần vào năm 2020 so với
năm 2010, trong khi pho tần cho các dịch vụ di động sẽ tăng gần gấp đôi [17]. Đây
cũng được xem như là cuộc khủng hoảng pho di động, một trong những van đề
đang được giải quyết trong giao tiếp không dây thế hệ di động thứ năm (5G) [3].
Khái niệm mới noi về Internet vạn vật (IoT), sự giao tiếp giữa máy với máy
(M2M), hứa hẹn hơn nữa là kết nối không dây giữa các vật the tự nhiên và nhân
tạo, các cảm biến, v.v. trong môi trường thực, của giao tiếp giữa máy và máy với
người. Điều này sẽ thay đoi hơn nữa cách chúng ta tương tác với thế giới và làm
cho truyền thông không dây trở thành một phần không the thiếu của cuộc sống con
người.


Ngày nay, thuật ngữ “không dây” được sử dụng rộng rãi, nó được xem như
một từ đồng nghĩa của cơng nghệ tần số vô tuyến (RF). Băng tan RF nam trong
khoảng từ 30 kHz đến 300 GHz của pho điện từ, việc sử dụng nó được quy định
nghiêm ngặt bởi chính quyền địa phương và quốc tế. Đa số các băng tần con được
cấp phép độc quyền cho các nhà khai thác như nhà khai thác điện thoại di động, đài
truyền hình, liên kết vi ba điem-điem. Hiện nay, cơng nghệ RF trở nên quá tải, do
đó dẫn đến tắc nghẽn pho (hoặc nút co chai). Những tình huống xảy ra ở những nơi
có mật độ người sử dụng cao và có the dẫn đến tình trạng hạn chế truy cập. Các hệ
thống truyền thông không dây dựa trên RF (WCS) hiện tại bị ảnh hưởng bởi hiệu
ứng đa đường trong môi trường đô thị dày đặc, làm giảm hiệu suất đường truyền.
Băng thông hạn chế của các hệ thống này cùng với hiện tượng tắc nghẽn pho gây
khó khăn trong việc cung cấp các kênh truyền chất lượng cao trong một khu vực
nhất định. Vấn đề này thường xảy ra hơn với các ứng dựng trong nhà, nơi không đủ
băng thông đe chia sẻ cho một số lượng lớn người dùng. Người ta ước tính rang hơn
70% lưu lượng truy cập không dây diễn ra trong môi trường trong nhà (tịa nhà, văn
phịng). Do đó, cần phải có các cơng nghệ với chi phí thấp và độ tin cậy cao đe tạo
ra một WCS thông suốt ở môi trường trong nhà.
Loại bỏ các công nghệ dựa trên RF hoặc sử dụng một giải pháp thay thế là

hai lựa chọn duy nhất có thể. Bất kể cơng nghệ nào (tức là 3G, 4G, 5G hoặc WiFi)
đang được áp dụng, chỉ có ba cách tiếp cận đe tăng dung lượng của hệ thống vô
tuyến không dây: (i) đưa ra một pho tần mới và do đó có thêm nhiều băng thơng
hơn, (ii) là nhiều nút hơn, (iii) là loại bỏ nhiễu và tận dựng lại tần số các tài nguyên
tần số sẵn có. Việc có được một pho tần mới là rất tốn kém và việc tìm kiếm thêm
băng thơng khơng phải là vấn đề lớn nhưng rõ ràng là chưa đủ - nó là hữu hạn. Các
nút bo sung có the được đưa vào bang cách chia thành các ô nhỏ hơn, tuy nhiên
điều này khá tốn kém. Ngoài ra, hai nút cũng không thế cung cấp gấp đôi dung


lượng do các van đề về nhiễu. Ngoài ra, việc tăng gấp đôi cơ sở hạ tầng sẽ không
đồng nghĩa với việc tăng gấp đôi doanh thu. Cuối cùng, hiệu quả quang pho của
công nghệ không dây đã được cải thiện trong những năm qua, nhưng nó bị chậm lại
hơn 20% trong những năm gần đây. Vậy về lâu dài, đâu là giải pháp cho mạng
không dây?
Một công nghệ mới có thế giải quyết và khắc phục những hạn chế này là
giao tiếp quang không dây (OWC), cung cấp băng thông không giới hạn, thực tế lên
đến 400 THz, bao gồm cả các băng tần phụ như hồng ngoại (IR), khả kiến (VL) và
tia cực tím (UV) , như trong Hình 1 -1.
«— Increasing Frequency (v)
IO24 1022 IO20 10” io” 1014
I

I

I

I

I

yrays

10-12

1O10

10*

10* lo4 IO2 10° v(Hz)

I

I

I

I

IR

1

1

1Q-10

10l!

uv

X rays

111

JQ-I6 10-14

I

-s ; ;10-6

10

11
1(r

Microwav
e
1

« j0-í i00

10-

I

F
M
Radio
waves

1

10«

I

A
M

I

I^ong radio waves
111

10« io« X(m)

................................................ Increasing Wavelength (X) -*

400

500
600
Increasing Wavelength (X) in nm -*

700

Hình 1-1. Pho ánh sáng nhìn thấy

Việc sử dụng các băng tần này cho mục đích liên lạc mang lại cơ hội duy
nhất, mà cho đến nay vẫn chưa được khám phá. So với RF, OWC [18] có các tính

năng vượt trội như băng thơng siêu rộng, khả năng chống nhiễu điện từ, khả năng
tái sử dụng tần số (hoặc bước sóng) gần như khơng giới hạn. Hơn nữa, vì các cơng
nghệ OWC có the được vận hành trong pho khơng được kiếm sốt, nên khơng u


cầu phí cấp phép, do đó OWC được xem là một giải pháp hiệu quả về chi phí cho
một số ứng dụng. Ví dụ trong mơi trường trong nhà, liên kết khơng dây có the được
hưởng lợi rất nhiều từ tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao so với việc sử dựng trạm gốc
ngồi trời dựa trên RF cơng suất cao đe cung cấp dịch vụ. Do đó, cách tiếp cận hợp
lý sẽ là sử dụng hiệu quả các trạm gốc RF đe phục vụ người dùng ngoài trời, cụ the
là người dùng di động, di chuyến nhanh và sử dụng đèn LED cho người dùng di
động chậm, trong nhà. Cách tiếp cận này cung cấp bốn tính năng chính: (i) hoàn
toàn tránh sự can thiệp giữa người dùng ngoài trời và trong nhà, (ii) không bị nhiễu,
trạm gốc RF công suất thấp hơn, (iii) sử dụng hiệu quả nhất các tài nguyên truyền
dẫn không dây, (iv) cải thiện trải nghiệm người dùng và giảm chi phí.
Trong hệ thống OWC, việc điều chế/giải điều chế là trực tiếp vì hệ thống
khơng có sóng hoặc ăng ten, do đó việc bo sung thêm nhiều nút là đơn giản vì
chúng khơng gây nhiễu như trong các hệ thống dựa trên RF. Với nguồn tài nguyên
phong phú, hiệu suất quang pho trong OWC ít nhạy hơn và những gì đã được phát
trien cho hiệu quả pho RF có the được sử dựng. Thuật ngữ OWC đề cập đến quá
trình truyền dẫn quang trong môi trường, không định hướng mặc dù các biến the
của nó hoạt động dựa trên bước sóng (tần số), có the có các cách sử dụng khác nhau
như được trình bày trong phần sau. Hệ thong OWC hoạt động trong dải tần khả
kiến (390-750 nm) thường được gọi là giao tiếp ánh sáng khả kiến (VLC). Hệ thống
VLC tận dụng lợi thế của cả laze đi-ốt và đèn LED, có the bật và tắt ở tốc độ rất cao
mà không có bất kỳ ảnh hưởng đáng chú ý nào đến ánh sáng xung quanh và mắt
người. Việc sử dụng nhiều đèn LED khả kiến cho mục đích chiếu sáng, truyền dữ
liệu và định vị trong nhà là một cách tiếp cận bền vững và tiết kiệm năng lượng và
là một cuộc cách mạng tiềm năng trong việc sử dụng đèn trong tương lai của nhân
loại. VLC cho truyền thông dữ liệu có the được sử dụng rộng rãi cho một loạt các

ứng dụng bao gồm điếm truy cập không dây, mạng cục bộ không dây, mạng cá nhân


không dây và những ứng dụng khác.
Mặt khác, các hệ thong OWC điem-điem trên mặt đất, còn được gọi là hệ
thống quang không gian tự do (FSO) [25]. Các hệ thống này thường sử dựng máy
phát laser và cung cấp một liên kết hiệu quả về chi phí, với tốc độ dữ liệu cao,
khoảng là 10 Gbps trên mỗi bước sóng và cung cấp giải pháp tiềm năng nham giải
quyết tình trạng nút thắt cổ chai [10]. Hệ thống FSO dựa trên LED đã được dự báo,
khi mà tốc độ truyền dữ liệu bang VLC bị hạn chế và phụ thuộc nhiều vào khoảng
cách và điều kiện khí quyến. Khoảng truyền phụ thuộc vào góc chiếu xạ của ánh
sáng nhìn thấy. Neu khơng có định hướng chính xác giữa máy phát và máy thu, việc
truyền dữ liệu không gian tự do sử dụng VLC có tốc độ bit tương đối thấp. Trong
các ứng dựng ngồi trời, tương tự như cơng nghệ RF, đường truyền FSO phải đối
mặt với một số thách thức mà sẽ ảnh hưởng đến việc sử dựng rộng rãi của nó.
Những thách thức này liên quan đến điều kiện khí quyến (sương mù, nhiễu động)
và sự lắc lư của tòa nhà, điều này sẽ ảnh hưởng đến tính khả dụng của đường truyền
bất cứ lúc nào. Tuy nhiên, những vấn đề này có the được khắc phục bang cách sử
dụng kết hợp FSO và liên kết vô tuyến RF. Mặc dù chủ yếu là áp dựng cho các ứng
dụng ngồi trời, tuy nhiên FSO cũng có the được sử dụng trong môi trường trong
nhà đe cung cấp kết nối có băng thơng cao trong các mơ hình đa điếm. Đây là một
giải pháp tuyệt vời đe bắt cầu các kết nối cáp quang với một số điếm trong các khu
vực rộng lớn mà không cần phải điều chỉnh lại cơ sở hạ tầng. Theo nghĩa này, FSO
cũng có the cung cấp các giải pháp tốt nhất đe trien khai và thay thế hệ thống cáp
quang trong tòa nhà hiện đại. Nó cũng có thế đóng một vai trò quan trọng cho một
xu hướng nghiên cứu đã và đang phát tri en khác về sóng vơ tuyến kết hợp FSO, có
nhiều điếm tương đồng với các hệ thống vô tuyến kết hợp với hệ thống quang đã
làm được trước đó.

Ngày càng có nhiều sự quan tâm đến truyền thơng tia cực tím (UVC) do kết
quả của những tiến bộ gần đây của các nguồn phát/máy dò quang học trạng thái rắn
hoạt động trong quang pho UV (200-280 nm). Trong dải UV sau này, bức xạ mặt
trời là không đáng ke ở mặt đất và điều này có the tạo ra thiết kế của máy dò đếm
photon với phạm vi quan sát rộng (Field of View- FOV) của máy thu đe tăng năng
lượng nhận được, với ít nhiễu hơn. Những thiết kế như vậy đặc biệt hữu ích cho các
mơ hình khơng nhìn thang ngồi trời (non light-of-sight) đe hỗ trợ UVC tầm ngắn,
công suất thấp như trong cảm biến khơng dây và mạng ad hoc.
1.2.

Lịch sử và tình hình nghiên cứu hiện tại

Báo hiệu thơng qua khói, ngọn lửa, đèn hiệu, ngọn đuốc và ánh sáng mặt trời
có the được xem là các hình thức đầu tiên của truyền thơng OWC. Việc sử dựng
ánh sáng cho mục đích giao tiếp là do những người Hy Lạp và La Mã co đại đưa ra
bằng cách sử dụng những chiếc khiên đánh bóng của họ đe chiếu ánh sáng mặt trời
nhằm đưa ra những thông điệp đơn giản trong các trận chiến. Vào cuối thế kỷ 19,
máy bay trực thăng được sử dụng pho biến trong liên lạc quân sự. Các thiết bị này
sử dụng một cặp gương đe hướng một chùm ánh sáng được kiếm soát đến một trạm
ở xa. Máy bay trực thăng vẫn là một phần của thiết bị truyền tín hiệu chiến thuật
cho đến đầu thế kỷ XX. Một cột mốc lịch sử khác trong lĩnh vực OWC là chiếc
photophone do Alexander Graham Bell phát minh. Năm 1880, Bell đã có the truyền
tín hiệu thoại bang tín hiệu quang học ở khoảng cách 200 m. Thiết lập thí nghiệm
đơn giản của anh ấy dựa trên những rung động do giọng nói gây ra trên gương ở
máy phát. Các rung động được phản xạ và chiếu bởi ánh sáng mặt trời và chuyến
trở lại thành giọng nói ở máy thu. Photophone chưa bao giờ xuất hiện dưới dạng sản
phàm thương mại, nhưng sự quan tâm của quân đội đối với photophone vẫn tiếp tục
và đèn hồ quang cao áp được sử dụng làm nguồn sáng đe thiết lập giao tiếp bang
giọng nói.

Trong các thế kỷ sau này, truyền thông RF và cáp quang đã phát tri en rất
nhanh và chiếm lĩnh thị trường viễn thơng tồn cầu. Tuy nhiên, một số thí nghiệm
FSO ban đầu được quan tâm trong lịch sử, được ghi lại vào đầu những năm 1960
đến 1970. Vào tháng 7 năm 1960, chỉ vài tháng sau lần công bố đầu tiên về laser
Helium-Neon (He-Ne) 632,8 nm đang hoạt động, Bell Labs đã có the truyền tín
hiệu đi xa 40 km bang cách sử dụng laser ruby [10]. Vào tháng 11 năm 1962,
Hughes Research Labs đã sử dụng tia laser He-Ne được kích thích bởi một máy
phát vơ tuyến nghiệp dư HF và gửi tín hiệu thoại qua khoảng cách 30 km. Một bộ
nhận quang được sử dụng đe phát hiện tín hiệu ánh sáng điều chế biên độ và bộ lọc
thông cao được sử dựng đe giảm ảnh hưởng của hiện tượng xạ hình. Vào tháng 5
năm 1963, một liên kết truyền dẫn tương tự sử dựng chùm tia laze He - Ne được
điều chế giọng nói đã được thiết lập, với khoảng cách liên kết được mở rộng lên
190 km. Việc truyền qua TV bang laser với băng thông điều chế là 1,7 và 5 MHz đã
được Hughes lần lượt đạt được vào năm 1963. Liên kết giao tiếp laser He-Ne 632,8
nm song công trên tong khoảng cách 14 km, được xây dựng tại Nhật Bản bởi Công
ty Nippon Electric vào khoảng năm 1970, là liên kết FSO đầu tiên xử lý lưu lượng
thương mại. Danh sách đầy đủ các cuộc thử nghiệm của OWC trong giai đoạn
1960-1970 được báo cáo trong [10]. Tuy nhiên, các kết quả nói chung là khơng như
kì vọng do sự phân kỳ lớn của chùm tia laser và khơng có khả năng chống lại các
ảnh hưởng của khí quyến. Với sự phát triến của sợi quang trong những năm 1970,
chúng đã trở thành sự lựa chọn hiến nhiên cho việc truyền dẫn quang ở khoảng cách
xa và chuyến trọng tâm ra khỏi hệ thong OWC. Tuy nhiên, sự phát tri en của chúng
không dừng lại trong các ứng dụng quân sự và trong các phịng thí nghiệm khơng
gian, chủ yếu là Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) và Cơ quan Hàng khơng và Vũ trụ
Quốc gia (NASA). Ví dụ như dự án thử nghiệm Liên lạc Laser trên Sao Hỏa
(MLCD) được NASA dự định khởi động vào năm 2009, thiết lập một kênh thông


tin liên lạc bang laser giữa Trái đất và Sao Hỏa với tốc độ truyền lên đến 10 Mbps.

Dự án thử nghiệm liên lạc Laser Mặt trăng (LLCD), do NASA tài trợ, nham mục
đích thử nghiệm hệ thống liên lạc laser trong không gian tự do đầu tiên trên thế giới
có the hoạt động trong phạm vi khoảng 400.000 km, lớn hơn mười lần so với phạm
vi gần Trái đất từng được được chứng minh cho đến nay. Nó đã chứng minh khả
năng liên lạc bang laser tốc độ cao (lên đến 622 Mbps) từ quỹ đạo Mặt Trăng tới
thiết bị đầu cuối trên Trái đất.
Song song với các nghiên cứu ứng dựng trong không gian và những tiến bộ
đạt được trong công nghệ chế tạo các bộ phận cảm biến và truyền dẫn quang, OWC
cũng ngày càng được chú ý trong các ứng dụng quân sự do tính bảo mật cao. Khả
năng thâm nhập thị trường của OWC vẫn còn hạn chế, ngoại trừ IrDA đã trở thành
giải pháp truyền dẫn tầm ngắn không dây rất thành công vào những năm 1990 và
một số thành công của kênh truyền FSO, đặc biệt là kênh dự phòng mà việc lắp đặt
cáp quang không khả thi. Vào những năm 1990, sự quan tâm đáng ke đối với việc
sử dụng FSO dân sự đã xuất hiện, điều này được thúc đấy bởi nhu cầu ngày càng
tăng về tốc độ dữ liệu cao hơn và yêu cầu đối với đường truyền chất lượng cao hơn
từ các khách hàng thương mại. Đặc biệt, FSO có the giúp các nhà cung cấp dịch vụ
cho khách hàng mà khơng phải trả phí trien khai cáp quang. Thị trường FSO này
sinh ra nhiều công ty sản xuất, ví dụ: Lightpointe, MRV, CableFree và MOSTCOM,
và rất nhiều hệ thống FSO thương mại đã được thiết kế và sản xuất. Một trong số
chúng cho phép truyền với tốc độ dữ liệu lên đến vài Gbps và khoảng cách lên đến
vài km. Năm 2012, thị trường toàn cầu cho các thiết bị sử dụng trong hệ thống
truyền thông FSO thương mại đã tăng 13% so với năm trước. Các dự báo hiện tại
về thị trường cho các hệ thong FSO thương mại sẽ tăng cao trong các năm tiếp theo.
Trong thập kỷ qua, đã có rất nhiều nghiên cứu đáng ke đe cải thiện hiệu suất


của hệ thong FSO trong mơi trường có nhiễu động khí quyến và các tác động bất lợi
của thời tiết [15]. Các hệ thống FSO với tốc độ truyền 10 Gbps đã được xây dựng
và tốc độ của các hệ thong FSO thử nghiệm gần đây có the cạnh tranh với đường
truyền cáp quang. Các hệ thong FSO hiệu suất cao được mong chờ sẽ được kết nối

với các mạng không dây thế hệ tiếp theo đe cung cấp kết nối liền mạch với hệ thống
cáp quang.
Đặc biệt trong những năm gần đây, với sự xuất hiện của công nghệ VLC
trong việc chiếu sáng, truyền dữ liệu và định vị trong nhà, thị trường OWC đã bắt
đầu cho thấy những hứa hẹn trong tương lai [9]. Sự xuất hiện của VLC trên thực tế
là kết quả của sự phát tri en gần đây của công nghệ bán dẫn. Các thế hệ đèn LED
bán dẫn mới có các tính năng ưu việt như tuoi thọ cao, khả năng chịu độ am cao,
tiêu thụ điện năng thấp hơn. Bóng đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang dần được thay thế
bang các công nghệ chiếu sáng tiết kiệm điện; do đó, người ta dự đoán rang đèn
LED sẽ là nguồn sáng tối ưu trong tương lai gần. Năm 2000, nhóm nghiên cứu
KEIO tại Nhật Bản đã đưa ra khái niệm rằng đèn LED trắng có the được sử dụng
cho đường truyền khơng dây trong nhà. Và sau đó là phát tri en lý thuyết cơ bản và
mơ hình kênh của VLC vào năm 2004. IEEE đã nhận ra tiềm năng của công nghệ
VLC bằng cách đưa ra tiêu chuẩn IEEE 802.15.7 vào năm 2011 [12], định nghĩa các
lớp vật lý và điều khiến truy cập đường truyền (MAC) cho hệ thống VLC phạm vi
hẹp với các thiết bị quang học nham hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện âm thanh và
hình ảnh.
1.3. Viễn cảnh và các ứng dụng tương lai cho OWC
Các biến the của OWC có the được sử dựng trong các ứng dụng truyền thông
đa dạng, từ các kết nối quang học trong các mạch tích hợp thơng qua các liên kết từ
mặt đất đến vệ tinh. Hình 1-2 phân loại các ứng dụng của OWC dựa trên phạm vi


truyền. Một số ứng dựng này đã tồn tại và đã được ứng dụng thực tế, trong khi một
số ứng dựng được nghiên cứu đe sử dựng trong tương lai. Hai lĩnh vực ứng dựng
chính của OWC là mạng truy nhập băng thơng rộng và kết nối văn phịng. Trong
các ứng dụng như vậy, các hệ thong OWC hiện tại có the hỗ trợ lên đến 10 Gbps,
bang với băng thông được cung cấp bởi hệ thống cáp quang tàu điện ngầm và cao
hơn đáng ke so với hệ thống Ethernet 1.25 Gbps dựa trên tần số vô tuyến RF 60
GHz. Một lĩnh vực ứng dụng chính khác của OWC là trong các hệ thống truyền

thông cá nhân. Công nghệ tiên tiến nhất hiện nay trong truyền thông cá nhân là
Gigabit Infrared (Giga-IR) hoạt động trong phạm vi hẹp với tốc độ dữ liệu là 512
Mbps và 1,024 Gbps. OWC cũng đang được sử dụng trong các hệ thống trong nhà
(như VLC cho 5G) và các hệ thống tầm rất xa (như FSO). OWC dưới nước là một
lĩnh vực ứng dụng khác cung cấp tốc độ dữ liệu lên đến vài trăm Mbps trên phạm vi
truyền dẫn lên đến vài mét.

Hình 1- 2. Phân loại OWC dựa trên khoảng cách truyền

Sự gia tăng dân số đang khiến nhiều quốc gia phải suy nghĩ lại về quy hoạch
thành phố hiện tại và trong tương lai, đặc biệt là tập trung vào cơ sở hạ tầng kinh tế
- xã hội thông qua việc phát tri en bền vững. Đe hỗ trợ việc phát trien các đô thi
hiện đại, các nhà quy hoạch thành phố đang hướng tới việc thiết lập cơ sở hạ tầng
cơng nghệ thơng tin và truyền thơng tồn diện, bao gồm hệ thống giao thông thông


minh. Điều này cho phép tạo ra một thành phố thơng minh, nơi người dân, chính
phủ, nền kinh tế và môi trường được kết nối thông suốt. Các cơ sở hạ tầng hiện tại
như trường đại học, sân bay, bến xe, bệnh viện, cơ quan chính phủ, trạm điện, v.v.
hiện được kết nối thơng qua mạng phân tán (có dây và không dây), nơi thông tin
được phân phối và chia sẻ giữa các to chức. Tuy nhiên, các mạng truyền thông
không dây phân tán này đang phải đối mặt với sự gia tăng của dữ liệu, trong đó
WCS dựa trên RF hiện tại khơng có đủ băng thơng cần thiết đe đáp ứng xu hướng
ngày càng tăng này. Đe giải quyết van đề này và giải phóng áp lực lên pho RF, các
cơng nghệ OWC có the được sử dụng hiệu quả trong các ứng dụng chuyên dụng
như M2M, chăm sóc sức khỏe, liên lạc giữa các phương tiện giao thông, cảm biến
tự động trong 5G WCS. Đặc biệt, bên cạnh chiếu sáng trong nhà, đèn LED sẽ được
sử dụng rộng rãi ngồi trời, biến báo giao thơng, màn hình quảng cáo và các hệ
thống giao thông thông minh, v.v. Điều này là khả thi trong việc triến khai rộng rãi
hệ thống VLC cho nhiều loại ứng dụng liên lạc tầm ngắn và tầm trung bao gồm

mạng cục bộ không dây (WLAN), mạng cá nhân (WPAN) và mạng cảm biến cơ the
(WBAN), mạng xe cộ, định vị và điều hướng trong nhà (khi GPS hiện tại không
khả dụng), mạng dưới nước và giao tiếp M2M giữa các mạng khác, cung cấp các
tốc độ dữ liệu từ vài Mbps đến vài Gbps.
Một trong những ứng dụng không dây hoạt động trong phạm vi hẹp điên
hình liên quan đến việc sử dụng các thiết bị/cảm biến là mạng cảm biến cơ the
(WBAN). Chúng được sử dụng đe truy xuất thơng tin hóa lý và sinh học từ cơ the
người nham mục đích theo dõi sức khỏe. Các cảm biến được đặt bên trong hoặc
trên cơ the con người, thu thập các dấu hiệu sức khỏe quan trọng như huyết áp, nhịp
tim, đường huyết, v.v. Các cảm biến này được kết nối không dây với thiết bị trung
tâm có quyền truy cập vào mạng bên ngoài. Chuan IEEE 802.15.6 là một trong
những chuan đầu tiên tiêu chuan hóa các hệ thong WBAN dựa trên RF [13]. Các


WBAN hiện tại thường dựa trên RF sử dựng đường truyền băng tần siêu rộng
(UWB). Nhưng việc sử dụng RF trong các cơ sở y tế và bệnh viện có the bị hạn chế
hoặc bị cấm do nhi ễu điện từ (EMI). Điều này là do EMI có the gây ra sự cố của
các mạng và ngồi ra nó ảnh hưởng đến sức khỏe của bệnh nhân nếu việc tiếp xúc
với tín hiệu RF diễn ra trong thời gian dài. Do đó, OWC là một giải pháp thay thế
đầy hứa hẹn cho các giải pháp dựa trên RF. Ví dụ, việc sử dựng cơng nghệ VLC để
truyền đồng thời tín hiệu điện tâm đồ (ECG) và thông tin bệnh nhân đã được nghiên
cứu trong [7]. Một số thiết bị kiếm tra y tế như kiếm tra tim cũng có the được thiết
kế lại bang cách tích hợp đèn LED trên các đơn vị cảm biến và đường truyền VLC
có the thay thế số lượng lớn các loại cáp cần thiết trong thiết bị đó. Những phát tri
en gần đây trong công nghệ LED sẽ là một bước tiến lớn giúp cho việc tích hợp bộ
thu phát VLC vào các thiết bị đeo và quần áo như là một phần của hệ thống
WBAN.
Một ví dụ khác về OWC tầm ngắn dành cho các ứng dụng trong nhà như
thực tế tăng cường (AR). Thông thường, một ứng dụng điện thoại thông minh dựa
trên AR có the sử dụng vị trí GPS và la bàn số đe định vị và định hướng. Tuy nhiên,

các cảm biến này thường khơng chính xác ở mơi trường trong nhà hoặc có the
khơng hoạt động. Tuy nhiên, trong môi trường trong nhà, công nghệ VLC hoạt
động đáng tin cậy đe cung cấp dữ liệu vị trí và định hướng cho các ứng dụng AR
trong nhà. Một ứng dụng khác của mạng không dây phạm vi ngắn khác là mạng cá
nhân không dây (WPAN), liên quan đến việc kết nối các thiết bị xung quanh không
gian làm việc của cá nhân. OWC đã được sử dựng hiệu quả trong mạng WPAN từ
giữa những năm 1990. Tiêu chuan Giga -IR được phát trien bởi IrDA cho phép
truyền 1 Gbps, trong khi tiêu chuan mới cho phép tốc độ truyền lên đến 5 và 10
Gbps vẫn đang được phát tri en. Các nỗ lực nghiên cứu gần đây trong lĩnh vực này
chính là truyền thơng sử dụng camera của điện thoại thông minh (OCC) [1], [8], [2]


trong đó máy ảnh tích hợp trong điện thoại (cảm biến hình ảnh) được sử dụng như
một máy dị quang học đe cho phép các ứng dựng M2M khác nhau bao gồm điện
thoại với điện thoại, điện thoại đến TV, điện thoại máy bán hàng.
Trong phạm vi trung bình, ứng dụng khơng dây điên hình là mạng cục bộ
khơng dây (WLAN). Trước đây, giao tiếp hồng ngoại trong nhà đã được nghiên cứu
rộng rãi như một giải pháp WLAN khả thi. Tuy nhiên, sự thành công của các giải
pháp dựa trên RF, tức là WiFi, thực tế đã loại bỏ các mạng WLAN dựa trên hồng
ngoại. Tuy nhiên, điều này có the thay đoi với sự xuất hiện của VLC, còn được gọi
là LiFi. VLC tận dụng cơ sở hạ tầng của hệ thống chiếu sáng dựa trên LED để
truyền thơng, như Hình 1-3. Việc khơng gian truyền thơng của đèn LED bị giới hạn
cho phép các kết nối mạng không dây mật độ cao, trong khi giảm thiếu các vấn đề
nhiễu. Các thử nghiệm của VLC hiện tại đã chứng minh tính khả thi của hệ thống
với tốc độ lên đến 3.5 Gbps [26]. Một số công ty mới thành lập như PureVLC
(Anh), Oledcomm (Pháp) và Visilink (Nh ật) cũng đang nghiên cứu đe thương mại
hóa cơng nghệ này.
PLAIN LED LIGHTING

LIFI LED LIGHTING

POSITION 1

POSITION 2

POSITION 3

Hình 1- 3. Cơng nghệ LiFi

Ngoài việc trien khai trong nhà như đã đề cập, đèn LED đang được sử dụng