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
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
10000m, 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
15
mơ hình kênh c a VLC vào n m 2004. IEEE
VLC b ng c ch
nh n ra ti m n ng c a công ngh
a ra tiêu chu n IEEE 802.15.7 vào n m 2011 [12],
các l p v t lý và i u khi n truy c p
nh ngh a
ng truy n (MAC) cho h th ng VLC
ph m vi h p v i các thi t b quang h c nh m h tr các d ch v
a ph
ng ti n
âm thanh và hình nh.
1.3. Vi n c nh và các ng d ng t
ng lai cho OWC
Các bi n th c a OWC có th
c s d ng trong các ng d ng truy n
thông a d ng, t các k t n i quang h c trong các m ch tích h p thơng qua các
liên k t t m t
t
n v tinh. Hình 1-2 phân lo i các ng d ng c a OWC d a
trên ph m vi truy n. M t s
trong khi m t s
ng d ng
ng d ng này
c nghiên c u
t n t i và
c ng d ng th c t ,
s d ng trong t
ng lai. Hai l nh
v c ng d ng chính c a OWC là m ng truy nh p b ng thông r ng và k t n i v n
phòng. Trong các ng d ng nh v y, các h th ng OWC hi n t i có th h tr lên
n 10 Gbps, b ng v i b ng thông
ng m và cao h n
c cung c p b i h th ng c p quang tàu i n
ng k so v i h th ng Ethernet 1.25 Gbps d a trên t n s vô
tuy n RF 60 GHz. M t l nh v c ng d ng chính khác c a OWC là trong các h
th ng truy n thông cá nhân. Công ngh tiên ti n nh t hi n nay trong truy n thông
cá nhân là Gigabit Infrared (Giga-IR) ho t
ng trong ph m vi h p v i t c
li u là 512 Mbps và 1,024 Gbps. OWC c ng ang
c s d ng trong các h th ng
trong nhà (nh VLC cho 5G) và các h th ng t m r t xa (nh FSO). OWC d
n
c là m t l nh v c ng d ng khác cung c p t c
trên ph m vi truy n d n lên
n vài mét.
d
d li u lên
i
n vài tr m Mbps
16
Hình 1- 2. Phân lo i OWC d a trên kho ng cách truy n
S gia t ng dân s
ang khi n nhi u qu c gia ph i suy ngh l i v quy ho ch
thành ph hi n t i và trong t
ng lai,
c bi t là t p trung vào c s h t ng kinh
t - xã h i thông qua vi c phát tri n b n v ng.
hi n
ang h
i, các nhà quy ho ch thành ph
h tr vi c phát tri n c c ô th
ng t i vi c thi t l p c s h t ng
công ngh thông tin và truy n thơng tồn di n, bao g m h th ng giao thông thông
minh. i u này cho phép t o ra m t thành ph thông minh, n i ng
ph , n n kinh t và môi tr
ng
i dân, chính
c k t n i thơng su t. C c c s h t ng hi n t i
nh tr
ng
i h c, sân bay, b n xe, b nh vi n, c quan chính ph , tr m i n, v.v.
hi n
c k t n i thông qua m ng phân t n (c dây và không dây), n i thông tin
c phân ph i và chia s gi a các t ch c. Tuy nhiên, các m ng truy n thông
không dây phân t n này ang ph i
i m t v i s gia t ng c a d li u, trong
WCS d a trên RF hi n t i không c
ngày càng t ng này.
gi i quy t v n
các cơng ngh OWC có th
b ng thông c n thi t
s
ng trong 5G WCS.
ng
này và gi i phóng áp l c lên ph RF,
c s d ng hi u qu trong các ng d ng chuyên
d ng nh M2M, ch m s c s c kh e, liên l c gi a c c ph
bi n t
p ng xu h
ng ti n giao thông, c m
c bi t, bên c nh chi u s ng trong nhà, èn LED
c s d ng r ng rãi ngoài tr i, bi n báo giao thơng, màn hình qu ng cáo và
17
các h th ng giao thông thông minh, v.v. i u này là kh thi trong vi c tri n khai
r ng rãi h th ng VLC cho nhi u lo i ng d ng liên l c t m ng n và t m trung
bao g m m ng c c b không dây (WLAN), m ng cá nhân (WPAN) và m ng c m
bi n c th (WBAN), m ng xe c ,
nh v và i u h
t i không kh d ng), m ng d
c và giao ti p M2M gi a các m ng khác, cung
c p các t c
in
d li u t vài Mbps
n vài Gbps.
M t trong nh ng ng d ng không dây ho t
h nh liên quan
ng trong ph m vi h p i n
n vi c s d ng các thi t b /c m bi n là m ng c m bi n c th
(WBAN). Chúng
ng
ng trong nhà (khi GPS hi n
c s d ng
truy xu t thơng tin hóa lý và sinh h c t c th
i nh m m c ích theo dõi s c kh e. Các c m bi n
trên c th con ng
nh p tim,
c
t bên trong ho c
i, thu th p các d u hi u s c kh e quan tr ng nh huy t áp,
ng huy t, v.v. Các c m bi n này
c k t n i không dây v i thi t b
trung tâm có quy n truy c p vào m ng bên ngoài. Chu n IEEE 802.15.6 là m t
trong nh ng chu n
u tiên tiêu chu n hóa các h th ng WBAN d a trên RF [13].
Các WBAN hi n t i th
ng d a trên RF s d ng
ng truy n b ng t n siêu r ng
(UWB). Nh ng vi c s d ng RF trong c c c s y t và b nh vi n có th b h n
ch ho c b c m do nhi u i n t (EMI). i u này là do EMI có th gây ra s c
c a các m ng và ngồi ra nó nh h
ng
n s c kh e c a b nh nhân n u vi c ti p
xúc v i tín hi u RF di n ra trong th i gian dài. Do
th
, OWC là m t gi i pháp thay
y h a h n cho các gi i pháp d a trên RF. Ví d , vi c s d ng cơng ngh
VLC
truy n
ng th i tín hi u i n tâm
(ECG) và thông tin b nh nhân
c nghiên c u trong [7]. M t s thi t b ki m tra y t nh ki m tra tim c ng c
th
c thi t k l i b ng cách tích h p èn LED trên c c
ng truy n VLC có th thay th s l
b
n v c m bi n và
ng l n các lo i cáp c n thi t trong thi t
. Nh ng phát tri n g n ây trong công ngh LED s là m t b
c ti n l n giúp
18
cho vi c tích h p b thu phát VLC vào các thi t b
eo và qu n o nh là m t ph n
c a h th ng WBAN.
M t ví d khác v OWC t m ng n dành cho các ng d ng trong nhà nh
th c t t ng c
ng (AR). Thông th
ng, m t ng d ng i n tho i thông minh d a
nh v và
trên AR có th s d ng v trí GPS và la bàn s
nhiên, các c m bi n này th
th khơng ho t
ng
ng khơng chính xác
ng. Tuy nhiên, trong môi tr
ng tin c y
cung c p d li u v trí và
mơi tr
nh h
ng. Tuy
ng trong nhà ho c có
ng trong nhà, cơng ngh VLC ho t
nh h
ng cho các ng d ng AR
trong nhà. M t ng d ng khác c a m ng không dây ph m vi ng n khác là m ng
c nhân không dây (WPAN), liên quan
n vi c k t n i các thi t b xung quanh
không gian làm vi c c a cá nhân. OWC
c s d ng hi u qu trong m ng
WPAN t gi a nh ng n m 1990. Tiêu chu n Giga IR
c phát tri n b i IrDA
cho phép truy n 1 Gbps, trong khi tiêu chu n m i cho phép t c
5 và 10 Gbps v n ang
truy n lên
n
c phát tri n. Các n l c nghiên c u g n ây trong l nh
v c này chính là truy n thơng s d ng camera c a i n tho i thơng minh (OCC)
[1], [8], [2] trong
m y nh tích h p trong i n tho i (c m bi n hình nh)
s d ng nh m t máy dị quang h c
c
cho phép các ng d ng M2M khác nhau
bao g m i n tho i v i i n tho i, i n tho i
n TV, i n tho i máy bán hàng.
Trong ph m vi trung bình, ng d ng khơng dây i n hình là m ng c c b
không dây (WLAN). Tr
c ây, giao ti p h ng ngo i trong nhà
c nghiên
c u r ng r i nh m t gi i pháp WLAN kh thi. Tuy nhiên, s thành công c a các
gi i pháp d a trên RF, t c là WiFi, th c t
h ng ngo i. Tuy nhiên, i u này có th thay
lo i b các m ng WLAN d a trên
i v i s xu t hi n c a VLC, còn
c g i là LiFi. VLC t n d ng c s h t ng c a h th ng chi u sáng d a trên
19
LED
truy n thông, nh H nh 1-3. Vi c không gian truy n thông c a èn LED
b gi i h n cho phép các k t n i m ng không dây m t
cao, trong khi gi m thi u
các v n
ch ng minh tính kh thi
nhi u. Các th nghi m c a VLC hi n t i
c a h th ng v i t c
lên
n 3.5 Gbps [26]. M t s công ty m i thành l p nh
PureVLC (Anh), Oledcomm (Pháp) và Visilink (Nh t) c ng ang nghiên c u
th
ng m i hóa cơng ngh này.
Hình 1- 3. Cơng ngh LiFi
Ngồi vi c tri n khai trong nhà nh
c p, èn LED ang
c s d ng
r ng rãi trong chi u sáng ngoài tr i, bi n báo giao thơng, màn hình qu ng c o, èn
pha/ èn h u ô tô. i u này m
ti n (V2V), gi a ph
ng cho giao ti p gi a ph
ng ti n v i c s h t ng. Các xe
ng ti n và ph
c trang b
èn tr
ng
c và
sau d a trên LED có th giao ti p v i nhau và giao ti p v i c s h t ng bên
ng, t c là èn
èn LED trên xe c th
ng, èn giao thông, thông qua công ngh VLC. H n n a,
c s d ng cho c vi c phát tín hi u và phát thơng tin
liên c nh b o an tồn cho c c ph
ng ti n kh c trên
ng. VLC có th gi i quy t
20
t tv n
ng d ng cho các ch c n ng an tồn trên xe ơ tơ (ví d : èn
tr
phanh i n t kh n c p, c nh báo va ch m) và t c
cao c n thi t
d ng thơng tin gi i trí (ví d nh t i xu ng và c p nh t b n
t c
cao, ch i trò). Trong vài n m g n ây, chúng ta
i v i các ng
, truy c p internet
th y vi c s d ng ngày
càng nhi u i n tho i thơng minh, máy tính b ng, kính Google, i kèm v i máy
c s d ng
nh tích h p có th
ti m n ng r t l n
ch p nh và quay video.
mang l i
phát tri n các ng d ng c a VLC. C c camera trong i n
c s d ng
tho i thông minh g n trên xe có th
sáng t c c ph
i u
ng ti n g n
ghi l i hình nh c a èn chi u
c ng c th xem nh m t ph n c a h th ng giao
thông thông minh.
M t l nh v c ti m n ng kh c c a VLC chính là truy n thông d
Theo truy n th ng, truy n thông âm thanh
ng
t c
ph m vi lên
tr l n do t c
cao do s d ng anten l n. Do
c và có th ho t
,t c
i n n ng
lan truy n th p và tiêu th
d li u s d ng âm thanh d
in
c
vài ch c ho c tr m kbps. OWC c ti m n ng truy n d li u t c
trong mơi tr
ng d
in
d i quang ph nhìn th y
ct c
in
c.
n vài km. Tuy nhiên, công ngh này c b ng thông r t nh ,
truy n r t th p,
gi i h n
c s d ng d
in
c do n
ct
ng
c. i u này m
i trong su t
ng
cao
i v i ánh sáng trong
ng cho VLC d
d li u hàng tr m Mbps trong ph m vi t
c
in
c có th
i ng n (d
t
i 100 m)
b tr cho giao ti p âm thanh t m xa. Thách th c quan tr ng kh c liên quan
n
vi c nh v máy phát/m y thu và i u ch nh chùm tia sáng thông qua vi c s d ng
các b thu phát thông minh có kh n ng t thích ng v i c c i u ki n khác nhau
c a môi tr
ng.
21
1.4. K t lu n
C c h th ng truy n thông quang không dây
trong th c t c th h tr lên
n 10 Gbps, cao h n
c tri n khai thành công
ng k so v i h th ng
Ethernet 1.25 Gbps d a trên t n s vô tuy n RF 60 GHz hi n t i. V i vi c p d ng
công ngh OCC, c c h th ng s d ng nh s ng nh n th y c th
c ch a d ng, v i kho ng c ch t mm
n hàng ch c ngàn km. V i vi c tích h p
c a c m bi n h nh nh trên c c thi t b di
c c ng d ng c a OCC s
internet nhân lo i.
ng d ng m t
ng, hy v ng trong m t t
ng l i g n,
c tri n khai r ng kh p và là h t nhân c a m ng
22
CH
NG 2: CÁC THÔNG S
LIÊN QUAN VÀ CÁC V N
TRONG
H TH NG OCC
Ngày nay, máy nh
d dàng
c tích h p vào các thi t b di
ng thông minh, và
c k t n i v i Internet. Tuy nhiên, máy nh ch y u
ch p nh và quay video. Trong h th ng OCC, m t camera
c s d ng
c s d ng nh m t
máy thu, nh n ánh sáng và gi i mã nó thành d li u. Các ng d ng OCC
cs
d ng trên các i n tho i thơng minh, các thi t b thơng minh có ti m n ng l n do
tính di
ng cao và d dàng truy c p Internet. So v i VLC h th ng s d ng i t
quang (PD) t i b thu, h th ng OCC có hi u su t th p h n v kho ng cách truy n
c ng nh t c
d li u. S khác bi t
bi n hình nh, i u này liên quan
gi a các khung hình IFG, t c
t
nh h
ng tr c ti p
vì các c m bi n hình nh
d li u, chính i u này
c cho là do t n s ho t
nt c
ng c a c m
x lý camera. Ngồi ra, kho ng cách
khung hình gi i h n,
phân gi i c ng là c c y u
n hi u su t c a h th ng OCC. i u này có th lý gi i là
c tích h p vào thi t b không
c thi t k
truy n
h n ch m t ph n hi u su t c a h th ng OCC. Trong
ph n này, lu n v n s phân tích các thơng s c a camera s t c
ng
n hi u n ng
c a h th ng OCC.
2.1. C ch màn tr p cu n và v n
(IFG)
kho ng cách gi a các khung hình
M t trong nh ng ngun nhân khơng th tránh kh i t c
ng
n hi u su t
c a h th ng OCC khi s d ng camera là kho ng cách gi a các khung hình IFG
(Inter-frame gap). i u này x y ra ch y u
i v i các c m bi n hình nh s d ng
cơng ngh CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). So v i c m bi n
s d ng công ngh CCD (Charge Coupled Device), c m bi n CMOS
nhi u h n. Nguyên nhân là do, c m bi n CMOS r h n và
c s d ng
c tích h p vào h u